1、 本科毕业论文（20 届）金属基复合材料残余应力的有限元分析所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 金属基复合材料残余应力的有限元分析 1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的专业知识，了解金属基复合材料的发展、性能及应用；了解残余应力产生的条件；熟悉 ANSYS 软件；掌握 ANSYS 软件计算热残余应力的方法，为复合材料制备等提供一定的理论指导。 2主要任务（1）不同纤维直径下复
2、合材料环形与径向残余应力的大小及分布。（2）计算不同基体材料下复合材料环形与径向残余应力的大小及分布。（3）计算不同纤维体积分数下复合材料环形与径向残余应力的大小及分布。（4）分析纤维直径、基体材料及纤维体积分数对复合材料残余应力的影响（5）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1 曾立英，邓炬，白保良，等.连续纤维增强钛基复合材料研究概况J. 稀有金属材料与工程，2000，29（3）：211-215.2 马志军，杨延清，朱艳，等. 连续纤维增强钛基复合材料热残余应力的研究进展J. 稀有金属材料与工程，2
3、004，33（12）：1248-1251.3 马志军，杨延清，朱艳，等.基体性能对钛基复合材料热残余应力的影响J. 金属学报，2002，38：488-491.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，了解研究目的意义，学习软件 3 月 3 日3 月 23 日2 学习软件，计算不同纤维直径下的残余应力 3 月 24 日4 月 13 日3 计算不同基体和纤维体积分数下的残余应力 4 月 14 日5 月 4 日4 完成计算结果的分析 5 月 5 日6 月 1 日5 完成撰写及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 年 月 日I金属基复合材料残余应力的有限元分析摘 要：金属基复合
4、材料由高温制备向室温冷却的过程中会因为纤维与基体的热膨胀系数的不同而产生热残余应力。产生的热残余应力分为径向热残余应力和环向热残余应力。径向热残余应力在一定程度上有助于纤维与基体的粘合，而环向残余应力过大的话可能会导致基体发生开裂使材料作废。有很多种因素对于金属基复合材料的热残余应力有影响。热膨胀系数的差异会对材料性能造成很大的影响甚至会使材料发生开裂等情况。其次纤维直径、纤维体积分数等因素也会对冷却过程中引起的热残余应力产生影响。 本文利用 ANSYS14.0 软件对钛基复合材料的热残余应力进行分析，通过改变纤维体积分数、纤维直径以及热膨胀系数分析热残余应力的大小。结果表明热膨胀系数的差异对
5、于热残余应力的大小影响最大，纤维体积分数次之而纤维直径对热残余应力的影响最小。 关键词：SCS-6/Ti,有限元模拟，热残余应力The analysis of metal matrix composites residual stress finite element Abstract：The thermal residual stress in the metal matrix composites was produced from high temperature to in the process of cooling to normal temperature because of
6、the difference of coefficient of the fiber and matrix. The thermal residual stress is divided into radial thermal residual stress and circumferential thermal residual stress. The radial thermal residual stress is helpful to the adhesion of fiber and matrix to a certain extent, but the circumferentia
7、l residual stress may cause the material void and even the matrix cracking. There are many factors that affect the thermal residual stress of metal matrix composites. The difference of thermal expansion coefficient can cause a great influence on the material properties and even cause the material to
8、 crack. The thermal residual stress caused in the cooling process is also influenced by the fiber diameter and the fiber volume fraction.In this design, the thermal residual stress of titanium matrix composites will be analyzed with the software of ANSYS14.0 , and the thermal residual stress was ana
9、lyzed by changing fiber volume fraction, fiber diameter and thermal expansion coefficient. The results show that the difference of thermal expansion coefficient has the greatest influence to the thermal residual stress, the fiber volume fraction take the second place ,and the fiber IIdiameter has th
10、e faintest influence to the thermal residual stress.Keywords: SCS-6/Ti,Finite element simulation，The thermal residual stressIII目 录1 前言 .11.1 金属基复合材料 .11.2 金属基复合材料的现状与应用 .12 钛基复合材料 .32.1 钛基复合材料简介 .32.2 钛基复合材料的热残余应力 .32.2.1 热残余应力对金属基复合材料组织性能的影响 .42.2.2 金属基复合材料中热残余应力的测量分析方法 .42.3 本课题研究内容 .63 有限单元法 .73.
11、1 有限单元法的 基本概念 .73.2 有限单元法的求解步骤 .73.3 有限元的模拟技术 .83.3.1 有限元模拟技术在工程中的应用 .83.3.2 有限元软件的发展与种类 .9 3.3.3 ANSYS 软件概述 .94 数值模拟复合材料的残余应力 .104.1 材料性能 .104.1.1 有限元模型建立 .114.2 热残余应力在不同纤维直径下的分析 .134.3 热残余应力在不同基体材料下的分析 .184.4 热残余应力在不同纤维体积分数下的分析 .274.5 本章小结 .325 结论与展望 .33参考文献 .34致谢 .36太原工业学院毕业设计11 前言1.1 金属基复合材料金属基复
12、合材料是以金属或者合金为基体并用纤维、晶须和颗粒为增强体的复合材料。因为金属基复合材料在强度与刚度方面均具有着高性价比，所以金属基复合材料在航空航天业与汽车行业的表皮等方面具有着广阔的应用前景。金属基复合材料也有着不可避免的缺陷，在高温制备完成后向室温冷却的过程中由于材料不同成分的热膨胀系数（CET）的差异，会在成分接触的间隙尤其是纤维与基体之间的间隙产生较大的热残余应力从而影响金属及复合材料的力学性能。金属基复合材料有两种热应力，一种是在金属基复合材料由高温向低温冷却的过程中由一定的温度渐变而引起的温度变化所产生的热应力; 另一种是金属基复合材料在冷却到室温的过程中由于纤维与基体间的热膨胀系
13、数的不同引起的主要在纤维与基体间隙附近的复杂热残余应力 1。其中“CET”的所引起的复杂热残余应力是金属基复合材料的一大特点也是其发展的阻碍。因此对于大多数金属基复合材料来说，想要广泛应用在航空航天与汽车行业首先要解决热膨胀系数不匹配所引起的残余热应力的问题。1.2 金属基复合材料的现状与应用在过去的二十年里，金属基复合材料在飞速发展应用也更加广泛在军工发展的同时也像民用领域渗透，凭借其优良的性能在如汽车与民用飞机的蒙皮、燃气系统、体育行业等领域发挥着巨大的价值。虽然有其他材料的技术竞争所以发展有些停滞但是它有着一个突出的优点就是拥有突出的性价比现在正在加强这优点的同时寻求发展 2。现在许多企
14、业已经加入到了研究非连续增强金属基复合材料的项目中，促使金属基复合材料有了更高的性价比。现在国外正在朝着“结构复杂化”的研究方向进行发展 3。事物并不是单一发展的，随着世界各国在军备领域与民用领域的竞赛促使着金属基复合材料向前发展。金属基复合材料在航空飞机、飞机的蒙皮以及核电设施的保护层方面起着主体的作用。具体来说 SiC/Al 材料可以用于军用飞机的表皮以及机尾的结构梁,以 W 为纤维的金属基复合材料可以做成飞机的活塞进气门等发动机零件,另外 C/Al、C/Mg 等金属基复合材料因为有着高强度的性能可以作为卫星与航天飞机的主体结构梁。那么在在如此好的经济利益驱动下，就必须要考虑如何在提高金属
15、基太原工业学院毕业设计2复合材料性能的同时减少外在应力等因素对材料的影响。黄斌 4等通过研究得出了金属基复合材料中由于增强体语基体间的热膨胀系数的差异，在材料等却到了参考温度一下必然会产生热残余应力。马志军 5等通过研究得出了金属基纤维排布的不同会影响热残余应力的大小。其中单纤维模型的残余热应力最小，六方纤维排布次之，四方纤维排布的模型残余热应力最大。曾立英 6等通过研究指出连续纤维增强钛基复合材料因其高比强、高比模量、好的尺寸定性和高温强度是航天工业中结构件的候选材料。到目前为止已对其复合方法、强化纤维与基体合金、损伤评价技术等方面进行了深入的研究。金属基复合材料在民用工业中的应用领域十分广
16、阔。用 CN 化合物或者金属间化合物作为纤维的钛基复合材料,相比普通的钢材性能均有很大的提高。若保持纤维或者颗粒的增强相不变通过改变金属基的元素可以赋予材料不同的特性如高硬度、耐磨等,从而可以用在如模具与特殊工具等 7。例如 钛基复合材料就是其中重要的一种材料。马志军 8等研究出了连续纤维增强钛基复合材料中热残余应力的分析方法与产生的热残余应力对材料有什么复杂的影响，并就热残余应力的影响因素总结了改善其分布的几种方法。涂层对于热残余应力也有影响。王玉庆 9等研究出了界面涂层对复合材料中的残余应力有较大影响，无论热膨胀系数的大小，低模量涂层均能有效的减少界面残余应力；高模量涂层只有其热膨胀系数较
17、低时才可以降低残余应力。很多非金属增强相金属基复合材料也有着重要的用途。用 SiC 晶须纤维强化的复合材料, 具有着耐高温和高强度的特性,可在汽车行业以及水利方面使用。陶瓷复合材料在锻造方面可以代替原来需要承受高热的钢材从而极大的加长承接工件的使用寿命提高经济利益。C 纤维复合材料具有高强度且轻便的特性，这无疑是汽车行业的福音。C 纤维复合材料可以替换一些原来需用钢材的承接零件从而减轻汽车重量提高汽车的使用性能。发动机钢套、连杆、连销、运动器材、活塞、坦克的应急盒与履带、装甲车外皮等也在使用非金属增强相金属基复合材料 10。太原工业学院毕业设计32 钛基复合材料2.1 钛基复合材料简介钛基复合
18、材料相比其它金属基复合材料具有着突出的优良性能。它具有着高强度、较轻的重量以及较大的弹性模量的优点。钛基复合材料的种类有很多而其中的“super2”基体具有着比一般的钛合金基体材料更好的高温性能 11,它可以在 2000h的实验条件下长期保持界面产物不变证明它是具有可靠的性能的。钛合金相对于其它金属来说有着很高的优越性能。对于钢材来说要达到高比强度其中的工艺加工是十分困难而且在其处理后也可能会发生锈蚀导致材料作废。而钛合金经过现代热处理后也可以得到与特种钢相近的强度极限。对于铝合金来说虽然密度比钛合金小但是强度明显的不如钛合金，在高温条件下对与两者强度间的差距体现的越发明显。所以说通过对比现今
19、社会需要大力发展的是钛合金基体复合材料因为它的高价比性远超过其它金属化合物。2.2 钛基复合材料的热残余应力在复合材料的加工过程中由于纤维与基体的热膨胀系数不同还有加工工艺的影响，热残余应力的产生不可避免。这是金属基复合材料的一大本质特征 12。相对与其他种类的金属基复合材料热残余应力对于钛铝金属间化合物的力学性能有着更大的影响，当环向残余应力过大的话可能会导致基体开裂，那么如何减少钛铝金属间化合物的热残余应力成为了一个重大课题。 热残余应力的产生具有三个条件 13：（1）纤维必须与基体接触良好。界面的连接的优劣是影响金属基体复合材料的一个重大因素如果相互之间接触不好则不会产生均匀的相互接触更无从谈起应力问题了。 （2）温度变化。对于钛基复合材料来说其无应力温度为 700 14,那么就是说在这个临界温度上温度再怎么变化始终不会产生应力当钛基复合材料降至 700以下时便会产生应力当产生的残余应力低于基体的屈服应力时就会保留下来。 （3）纤维与基体之间的热膨胀系数（CET）的不同。在金属基复合材料中，纤维普遍比基体的热膨胀系数小在本课题的研究对象也是这样，那么在冷却的过程中这种差异便体现了出来，热膨胀系数的差异是金属基复合材料产生热残余应力的主要因素，通过参照其他文献来看，热膨胀系数差异越大热残余应力的数值相对就大。
