复合非均匀微观构型对非连续增强金属复合材料强度和塑性影响的数值模拟及实验研究

This project proposes utilizing a research method combining numerical simulation and experimental techniques to study the effects of inhomogeneous microstructure on strength and ductility of discontinuous reinforced metal matrix composites. Three-dimensional finite element model containing the failure behavior of interface and influence of strain gradient in the matrix will be developed. Then, this model will be applied to systematically study the influence of inhomogeneous microstructure on the material behavior, such as macroscopic elastic parameters, elasto-plastic behavior under uniaxial tension, particle/matrix load allocation, local distribution of stress/strain field, initiation and evolution of interface damage. Further, by analyzing the numerical results, experiments will be properly designed and in return validate the model prediction. By revealing the influence of inhomogeneous microstructure on interaction and deformation compatibility between matrix and reinforcement, relationship between inhomogeneous microstructure , strength and ductility will be established. This project will help to deepen the understanding of strengthening and toughening mechanism of composites and serve as valuable reference for practical composites design optimization, and therefore is of significance in both theory and practical application.

本项目拟采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究复合非均匀微观构型对非连续增强金属基复合材料强度和塑性的影响规律。提出建立考虑应变梯度强化和界面损伤作用的基本三维有限元数值模型，通过不断改变复合非均匀微观构型的非均匀分布程度，系统研究复合非均匀微观构型对复合材料的宏观弹性参数、单轴拉伸弹塑性力学行为、颗粒/基体载荷分配、局部应力应变场非均匀分布状态、界面损伤起始和发展的影响规律。根据数值模拟的研究结果指导实验设计与材料制备，并通过实验对数值模拟的预测结果进行进一步验证。本项目具有科学理论意义和实用价值，通过揭示复合非均匀微观构型对复合材料增强体和基体之间相互作用与变形协调关系的影响规律，建立复合材料宏观强度和塑性与复合非均匀微观构型之间的关联。本项目的研究结果将有助于加深对复合材料强韧化机理的认识，为推进先进复合材料设计与应用做出贡献。

颗粒增强复合材料是微观结构敏感性材料，其强化和韧性损失行为都和复合材料微观构型如颗粒的大小、形状、含量及分布状态，界面的强度以及基体和颗粒的弹性失配以及热膨胀系数失配程度密切相关。充分理解微观构型和宏观性能之间的关联性对优化复合材料设计非常重要。.. 围绕项目研究目标：（1）建立了复合材料“微观构型-宏观性能关系预测模型”并进行了验证。基本模型采用扩展应变梯度理论研究颗粒大小、形貌对基体应变梯度强化作用的影响，采用粘聚力模型模拟界面损伤对材料整体性能的弱化作用。模型可考虑颗粒尺寸、形貌、分布及界面损伤作用。模型可以分析微观结构变化对复合材料单轴拉伸弹塑性力学行为、颗粒/基体载荷分配、局部应力应变场分布、界面损伤起始和发展的影响规律，是一个较为完备的数值分析模型。（2）针对典型复合非均匀微观构型（团聚分布、层状分布、网状分布、双尺寸分布），在Abaqus软件实现了对复合材料的复杂微观结构的描述以及高效、自动化批量建模：以增强相的（尺寸、体积分数）几何参数和其空间分布状态（均匀分布、团聚分布、层状分布、网状分布、双尺寸分布）参数，以及颗粒分布非均匀度（颗粒富集区域体积分数/整体体积分数）为重要变量，建立一系列复合材料微观构型的二维和三维代表单元。（3）在复合材料微观构型数值模型的增强相和基体之间实现了零厚度界面单元的自动添加。（4）研究了均匀分布、团聚分布、层状分布、网状分布等不同分布状态对复合材料参的颗粒/基体载荷分配、局部应力应变场分布、界面损伤起始和发展的影响。（5）针对复合材料不同微观构型开展实验工作，目前正在进行中。.. 本项目针对颗粒增强复合材料不同微观构型的批量化自动建模程序极大的提高了复合材料数值计算的建模效率，可广泛应用于颗粒增强复合材料的数值分析领域，具有良好的应用前景。.