1、本科毕业论文（20 届）不同真空热暴露条件下复合材料残余应力分析所在学院专业班级 材料成型及控制工程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I不同真空热暴露条件下复合材料残余应力分析摘 要：复合材料从高温制备态到冷却至室温过程中，由于基体材料与增强相纤维热膨胀系数的不同，必然会产生残余应力，从而影响复合材料的力学性能，而且在钛基复合材料的制备过程中，基体与纤维会发生化学反应，产生一定厚度的界面反应层，也影响复合材料的力学性能。本文利用 ANSYS 软件建立二维平面
2、应变有限元模型，分析了界面反应层厚度对复合材料残余应力的影响。结果表明，复合材料径向残余应力随界面反应层厚度的增加而增加；而周向残余应力随界面反应层厚度的增加而减小。关键词：钛基复合材料，热残余应力，有限元分析Composites Residual Stress Analysis Under The Condition Of Different Vacuum Heat Exposure Abstract：Composite material will produce residual stress unavoidable, in the process from preparation sta
3、te of high temperature to cooling to room temperature, due to the different thermal expansion coefficient between substrate material and enhance fiber, which affects the mechanical properties of composites, and in the process of the preparation of titanium matrix composites, will produce chemical re
4、action between the substrate and the fiber, Produce interfacial reaction layer with a thickness, also affects the mechanical properties of composites. In this paper, a plane strain finite element model of two-dimensional is established by use ANSYS software, analyzed the interfacial reaction layer t
5、hickness on the influence of residual stress of composite material. The results show that the composite radial residual stress increases with the increase of the interfacial reaction layer thickness; the circumferential residual stress decrease with the increase of the interfacial reaction layer thi
6、ckness.Key words: Titanium Matrix Composites, Thermal Residual Stress, Finite Element AnalysisII目 录1 前言 .11.1 钛基复合材料 .21.2 热残余应力 .31.2.1 残余应力的产生条件 .41.2.2 残余应力的测量方法 .41.2.3 残余应力对材料性能的影响 .51.3 研究内容 .51.4 本章小结 .62 ANSYS 有限元软件 .72.1 软件简介 .72.2 软件用户界面 .82.3 有限元分析 .92.4 本章小结 .103 有限元模拟 .113.1 建模 .113.1.1
7、 研究对象材料分析 .113.1.2 材料性能及加工工艺参数 .133.1.3 创建物理环境 .143.1.4 创建几何模型划分网格 .153.2 模拟过程 .223.2.1 施加边界条件 .223.2.2 加载载荷并求解 .233.2.3 后阶段处理 .233.3 结果与分析 .283.3.1 界面层厚度对径向残余应力的影响 .283.3.1 界面层厚度对周向残余应力的影响 .293.4 本章小结 .31III4 结论 .32参考文献 .33致 谢 .3511 前言复合材料，从名字上听去便是高科技的产物，高档材料的代表。其实广义上所讲的复合材料在我们的生活中随处可见。从古时候，人们在建造土坯
8、房的时候就知道，用稻草和泥制成的土坯可以对土坯起到强化的作用；现如今，我们修盖大楼时用钢筋混泥土来加强建筑的稳定性，这些都可以被称为复合材料的利用。而现在我们常说的复合材料，是在20世纪40年代时应航空工业方面的需要出现的一种新型的材料，最先出现的一种复合材料被称为玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）；到50年代以后，又相继出现碳纤维、石墨纤维和硼纤维等具有高强度、高模量等优异性能的纤维材料。这些纤维材料与非金属或金属基体复合在一起，形成各种不同性能的复合材料。所以现在我们常说的复合材料，便是指由两种或两种以上不同性能的材料经过物理或化学方法组成的一种具有良好性能的材料。复合材料中基体相是一种连续相
9、材料，起传递应力的作用；纤维是一种增强相，混合在基体材料中起承受应力的作用。如图1.1所示，为复合材料结构示意图。图1.1 复合材料结构示意图目前，复合材料已广泛的应用于生活的各个方面，无论是交通、电力、农林、水产等方面，还是航空航天、汽车、矿产等方面复合材料都得到广泛的应用。如图1.2所示，为复合材料在各方面运用所占比例的示意图。2图1.2 不同方面复合材料运用比例示意图现在，我们的生活与发展早已离不开复合材料，复合材料在我们各方面的发展中都起着非常重要的作用。不仅如此，复合材料的研究程度已经成为衡量一个国家科学技术水平高低的重要标志之一。如果将复合材料分类，复合材料主要可以分为结构复合材料
10、和功能复合材料两大类。其中结构复合材料，是作为承力结构使用的，其特点是可以选用具有不同优异性能的组元来制成复合材料以适应材料在使用中各种不同的受力情况，甚至可以进行材料的复合结构设计；而功能复合材料，是指提供除机械性能以外的其他物理性能的复合材料，其特点是材料基体除构成整体作用外还能起产生协同功能或加强功能的作用。1.1 钛基复合材料金属基复合材料，顾名思义是以金属或合金为基体的复合材料。金属基复合材料拥有良好综合力学性能，表现为横向及剪切强度高，而且韧性和抗疲劳程度高，同时还具有导电、导热性能好，耐磨和热膨胀系数小等优点。金属基复合材料按照金属基复合材料组分的大小可以分为宏观组合型和微观强化
11、型，前者的组分肉眼可3见，而后者的组分只能在显微镜下才能观察到 1。钛基复合材料是在钛合金的基础上发展起来的一种新型材料，钛基复合材料除了具有高强度、高刚度和疲劳、蠕变性能好等优点外，还表现出极优异的热稳定性，在高温下进行长时间的热暴露，力学性能基本不降低，特别在航空航天工业中应用最为广泛。和钛合金相比，钛基复合材料在耐磨性、耐燃性及弹性模量等方面都得到了很大的改善。 Ti 是一种化学性质十分活泼的元素，极易与空气中的杂质元素或 SiC 纤维中的元素发生化学反应，降低复合材料的力学性能。Ti 与 SiC 纤维发生反应时生成一定厚度的中间反应层 2，而且制备复合材料的温度越高反应越剧烈，反应层厚
12、度越大。为了减小复合材料中所发生化学反应的剧烈程度，可以降低材料的制备温度，使用固体法制备。目前常用的钛基复合材料的制备方法主要有四种 37：（1）箔-纤维法。将纤维逐根摆放好并用金带固定，然后与压成箔片的 Ti 基体金属材料逐层摆放，经热压成型。（2）浆料带铸造法。将纤维平行摆放，然后与制成的钛合金粉末混合制成单层复合材料薄带，最后将复合材料薄带逐层放好经热等静压成型。（3）等离子喷涂法。将纤维分布在圆筒壁上，旋转圆筒的同时将已备好的金属合金粉末均匀喷在纤维上，然后制成与浆料带铸造法类似的单层复合材料薄带，最后将复合材料薄带逐层放好后经热等静压成型。（4）纤维涂层法。将钛合金涂在每根纤维上，
13、然后将纤维逐层堆放经热压或热等静压成型。1.2 钛基复合材料的热残余应力随着复合材料在人们生产生活中的应用更加广泛，我们对复合材料的研究也更加深入，复合材料的制备方法不断的得到完善。但是在制备复合材料时，从预制备、热处理到冷却至室温等过程中，由于基体材料与增强相纤维材料热膨胀系数的不同，制备好的复合材料中不可避免的会产生残余应力 8,9，残余应力的存在会影响复合材料的组织和力学性能。刘彦平 10，在其论文中就提到过，残余应力的存在会对复合4材料的力学性能有很大影响，在材料内部产生缺陷，影响材料的使用性能和寿命。1.2.1 残余应力的产生条件在金属基复合材料中，残余应力的产生条件主要有三个 11
14、13：（1）要求增强相纤维与基体间热膨胀系数存在差异。当纤维与基体间热膨胀系数不同时，在复合材料的制备过程中，因温度的变化，而使纤维与基体间的膨胀、收缩程度不同而产生残余应力，是复合材料中产生残余应力的必要条件。（2）增强相纤维与钛基体之间的界面要求结合良好。复合材料中纤维与基体随温度变化而产生膨胀或收缩，只有纤维与基体在其界面处结合良好，才能残生残余应力，这是复合材料中产生残余应力的又一必要条件。（3）要求温度变化。温度的变化，会引起纤维与基体材料体积的变化，才能产生残余应力，是复合材料中产生残余应力的基本条件。除了上面三个条件外，复合材料中的残余应力还受很多因素的影响。马志军 3在其论文中
15、除分析复合材料中残余应力的产生条件，还分析了不同纤维分布情况对残余应力大小、分布的影响，并利用 ANSYS 软件进行了相应的有限元分析。除此之外，娄菊红等 14，较为系统的分析了纤维涂层，纤维体积分数，制备工艺条件，基体材料性能等方面因素对残余应力的影响。由于在钛基复合材料的制备过程中，钛基体材料与增强相纤维发生化学反应生成一定厚度的中间产物，称为反应层。虽然我们对复合材料残余应力的分析已有很多，但对于不同反应层厚度对复合材料残余应力的影响的研究还不甚明了。罗恒军等 15，简单分析了界面层厚度对界面抗剪强度的影响，和界面反应层厚度对残余热应力的影响。本课题旨在分析钛基复合材料中，不同反应层厚度
16、对残余应力大小及分布的影响。1.2.2 残余应力的测量方法材料中残余应力的存在会影响材料的性能，在材料的运用中如果不能很好的把5握残余应力对材料性能的影响程度，势必会影响材料的选用，甚至会因为材料的选用不当而发生事故，所以对材料中残余应力的测定也势在必行。我们常用的传统的残余应力测定方法分为机械法和物理取样法 16。其中机械法包括取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等；而物理取样法包括 X 射线法、超声法和磁性法。但是，无论是机械法还是物理取样法，都会需要取一定的材料试样对其进行实验操作，会对材料工件造成损伤；而物理取样法中，无论是 X 射线法、超声法还是磁性法都需要特定的实验环境，我们不易完成对材
17、料残余应力的测定。于是我们对复合材料热残余应力进行分析时，大多数人采用有限元模拟的办法，对材料进行模拟建模，给定载荷条件进行分析。利用有限元模拟法对材料残余应力进行模拟分析时，虽然我们只能得到材料残余应力的近似分析结果，但是这种方法操作简单，不会对试样造成损伤。1.2.3 残余应力对材料性能的影响残余应力的存在对复合材料的组织结构和力学性能都会产生很大影响 17，当复合材料中的残余应力大于基体的屈服强度时，残余应力会出现松弛，基体中就会有大量位错产生。在组织方面，大量的位错会加速复合材料的时效过程。一方面，大量的位错会在材料中形成“台阶”，给沉淀相的非均匀形核提供有利的位置，加快析出相的长大速度，加速复合材料的时效过程；另一方面，大量位错的存在给原子扩散提供通道，加快析出相的长大速度，加速复合材料的时效过程。在力学性能方面，高密度位错导致基体合金被强化，使复合材料屈服度提高。换句话说，应力的松弛会使基体材料变形，从而产生变形强化效果，使复合材料基体材料的强度提高，导致复合材料屈服强度提高；同时，复合材料基体中存在平均残余拉应力使拉伸屈服强度降低，压缩屈服强度提高。1.3 研究内容本课题旨在利用有限元分析法对钛基复合材料的热残余应力进行分析，由于热
