毕业设计（论文）-钛基复合材料的热残余应力数值模拟研究.doc

太原工业学院毕业设计1 绪论1.1研究的目的及意义金属基复合材料是在树脂基复合材料的基础上发展起来的。最初在60年代初期开始有所发展，但由于当时制备技术等各种因素的制约，并没有引起广泛的注意。进入到70年代后期，由于高新技术对材料的各种性能要求日益提高，金属基复合材料以其优良的性能引起各国政府、工业界的重视，被誉为先进复合材料，与传统材料相比较，它具有重量轻、高比弹性模量、高比强度、耐疲劳、耐磨损、低能耗、低膨胀系数等特点，具有在军事、航天航空、汽车、机械、电子等各种领域应用的可能性1。在高温下制备复合材料时，基体与增强体之间极易发生有害的界面反应，而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反应，而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的调节作用2。在复合材料使用过程中，由于基体和纤维性能的差异，热残余应力的存在不可避免，它对复合材料的力学性能有着重要影响，有时甚至会导致基体开裂，因此受到人们的高度重视3。由于材料不同且具有不同力学性能的界面层，其厚度和性能会对复合材料的有效性能产生剧烈的影响4，所以合适的界面厚度使得基体与基体的界面结合适中，有利于材料性能的提高5。金属基复合材料的内部残余应力对复合材料的力学性能具有重大影响, 为了预测金属基复合材料内部残余应力的大小及影响，许多学者都致力于研究金属基复合材料内部残余应力的理论计算模型6。广义地说，残余应力是一种普遍存在的现象，产生残余应力的原因也是多种多样的。金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有：(1)基体与增强体之间界面结合良好；(2)温度变化；(3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异7。而这些简化模型的界面层具有一定的厚度，界面结合的好坏由界面层材料力学性能来表征8。并且建立一些模型对于分析和理解热残余应力的分布特征和变化趋势是非常有用的9。几年来，随着计算机技术和有限元方法的快速发展，引发了数值模拟技术的热潮，数值模拟技术的应用，不仅可以节省实验时问、节约研究经费，而且对研究残余应力对复合材料性能的作用规律、促进金属基复合材料的应用与发展都具有重大意义6。因此全面了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分布规律，对复合材料的强度估算和寿命预测等具有重要的指导意义2。1.2研究现状尽管金属基复合材料目前尚未获得大规模应用，但这些性能均可在一定范围内加以设计，必定存在着能充分发挥其性能优势的应用领域，会有更加广阔的前景9。随着力学理论和计算机技术的飞速发展，金属基复合材料的力学分析得到了很大进步。在其力学模型方面，用有限元计算技术与力学和材料科学相结来进行研究10。又鉴于复合材料的成型工艺占其成本的60%70%，所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法是当务之急11。残余应力决定了复合材料变形的特殊性，大量研究人员对此进行了深入的研究，并取得了重大进展12。从有关文献与资料可以得知，数十年来，美、法、俄、德、日等国家对金属基复合材料残余应力的抑制与消除技术上的理论研究一直非常重视，在实际生产工艺中也达到了相当高的工艺水平13。对热残余应力分布的影响分析中，我国权高峰等人进行了弹塑性分析计算，结果表明单程变温造成的微观热应力和残余应力其绝对值均沿径向按指数或对数规律减小，而且受热或冷却时基体中的屈服首先发生在界面处，并逐渐向基体中扩展14。王玉庆等15对涂层在复合材料中的力学行为进行了理论分析,指出界面残余应力是热膨胀系数与弹性模量综合作用的结果,高模量涂层在热膨胀系数低时才能减小界面残余应力,而低模量涂层不论热膨胀系数大小均能减小界面残余应力。丁向东等16运用轴对称有限元法得出残余应力会降低拉伸过程中的应力传递，加强压缩过程中应力传递，使复合材料室温抗压强度高于抗拉强度。马志军等17以SiC/Ti-24Al-11V为研究对象，分析了纤维体积分数与残余应力的关系，得出纤维体积分数也会对残余应力产生影响。国外对材料中热残余应力的分析也有一些成果。诸如Harris等18提出垂直于纤维方向的热残余应力模型，并假设纤维被埋在具有复合材料宏观属性的等效基体中，利用等效弹性模量得出接触压力与纤维组分之间的关系。Nairn等19首先针对含有均匀界面相的复合材料热残余应力进行研究。Jayaraman等15给出三种含有性能梯度界面的复合材料热残余应力分布。Mitaka等20给出四相模型（纤维、界面相、树脂、等效基体）。Kim和Mai等21通过单丝三相模型建立界面相参数与纤维树脂接触压力之间的关联关系。当下运用计算机及有限元技术进行计算仿真成为热门，国内外也将其运用于航空、电子和汽车等行业。先以CAD/CAM技术为例，德国COPRA系统能完成设计、成型工艺过程模拟、生产图纸、成本计算、毛坯管理、计算机数控制造、质量控制的整个过程的全面的、集成化的软件解决方案，具有独特的成型过程模拟与优化技术和高效率的成本计算功能。而国内工作人员吸收了国外的技术和经验，也取得了一些成绩22。再以CAE技术为例，美国DEFORM仿真模拟的应用将大大减少生产过程中不必要的流程不但保证产品质量而且提高工作效益。国内在塑性成形模拟软件方面跟国际上相比还存在很大的差距，但也相继开发一些软件23。例如我国三一重工泵送机械公司就利用有限元分析的方法指导开展工艺方法的研究，公司主要仿真焊接变形情况24。1.3钛基复合材料1.3.1钛基复合材料概述钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚硬陶瓷增强体的一种复合材料。它把金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能.Ti-6A1-4V合金是一种应用最广的钛合金，它在钛产品中占一半以上。在钛合金复合材料中该合金也是研究、使用最多的一种钛合金基体。Ti-6A1-4V合金具有良好的加工性能，当Ti-6A1-4V合金与碳化硅等纤维制备成钛基复合材料时，可以进一步提高强度，尤其是高温强度，而材料的密度、热膨胀系数并不提高4。1.3.2铁基复合材料的产生钛基复合材料的研究开始于70年代，在80年代中期，美国航天飞机和整体高性能涡轮发动机技术以及欧洲、日本的同类发展计划的实施推动了钛基复合材料的发展。例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC/Ti-6AI-4V复合材料，用作半球形火箭壳、导弹尾翼和飞机发动机零件。日本丰田公司利用粉末冶金法制备了TiB短纤维增强Ti-7Mo-4Fe-2AL-2V复合材料，成功应用在丰田引擎中，作为进气、出气阀的材料5。1.3.3钛基复合材料的优点钛基复合材料表现出以下优点6:(1)制备工艺简单，可以用钛合金传统的冶炼和加工的设备制备大尺寸的钛基复合材料，如:挤压、锻造、轧制，大大降低了成本；（2)增强体和基体在热力学上稳定，因此在高温工作时，性能不易退化；（3)增强物和基体的界面干净，没有界面反应物；（4)原位生成的增强相在基体中分布均匀，表现出优良的机械性能。1.3.4钛基复合材料的制备工艺热压扩散结合法6:连续增强相钛基复合材料的制备工艺。原位生长法：不连续增强相钛基复合材料备工艺。纤维增强钛基复合材料的制备方法，热压扩散结合法：控制纤维中心距，采用纤维分层叠加的方式；控制温度和时间，采用扩散焊合机控制温度和焊合速度；真空热压扩散结合是制备连续纤维金属基复合材料的传统工艺。在一定温度下的压力下，把均匀排布在新鲜清洁表面的基体箱片或（复合）先驱丝通过基体金属表面原子的相互扩散而连接在一起。扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温度、压力和时间。其压力应有一定下限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成“眼角”空洞缺陷。1.3.5钛基复合材料的应用钛基复合材料主要分为两大类；连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。早期研究的主要领域是以碳化硅纤维增强的钛基复合材料，可显著提高基体合金的机械性能，但纤维增强钛基复合材料受到以下几个因素的制约：碳化硅纤维价格昂贵、加工工艺复杂、各向异性。此外，钛基复合材料中SiC纤维与钛基体热膨胀系数相差较大，容易在制备和服役过程中产生较大的热应力，且在高温条件下与钛基体发生界面反应而生成TiCX、Ti5Si3(C)等产物，严重影响复合材料的性能。上述几个因素严重地限制了连续纤维增强钛基复合材料的应用5。以外加或原位生成的非连续增强钛基复合材料因其制备和加工工艺与钛合金相似，成本与钛合金材料接近，有望在航空航天和军工领域的许多高温结构中获得实际应用。低密度、高模量和高强度的陶瓷颗粒或短纤维加入钛合金基体中，可显著提高材料的比模量、比强度和蠕变性能，进一步提高它的使用温度，以满足高温钛合金不断发展的需要。因此，非连续增强钛基复合材料是目前的重要研究方向。此外，陶瓷增强相可显著提高基体合金的耐磨性，结合钛合金耐腐蚀的优点，满足航空航天和军工领域对材料耐磨、耐蚀的要求5。1.4复合材料的界面及其热残余应力1.4.1复合材料界面概述复合材料界面是指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成 彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。复合材料界面是一层具有一定厚度(纳米以上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相界面相(或称界面层）。因为增强体和基体互相接触时，在一定条件的影响下，可能发生化学反应或物理化学作用，如两相间元素的互相扩散、溶解，从而产生不同于原来两相的新相，从而导致这个局部基体的性能不同于基体的本体性能，形成界面相。界面相也包括在增强体表面上预先涂覆的表面处理剂层和增强体经表面处理工艺而发生反应的表面层7。1.4.2复合材料界面中热残余应力的产生残余应力是指工件经热处理后最终残存下来的应力。金属基复合材料需在基体溶点附近的高温下制备，一方面高温下基体与增强体之间会发上化学反应形成一些新相，导致体积改变，形成残余应力；另方面金属基复合材料从加工温度冷却到室温时，内外冷却速度的差异以及基体与增强体之间热膨胀系数的不匹配也会在复合材料中引起残余应力。1.4.3复合材料中热残余应力的影响因素(1)纤维涂层的影响 高温下制备复合材料时，基体与增强体之间极易发生有害的界面反应，而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反应，而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的调节作用。Bin Huang等9研究了C、C/TiB2涂层对SiC/TI-6Al-4V复合材料界面残余应力的影响，认为涂层对复合材料界面径向及轴向残余应力的影响不大，但是周向应力变化显著。与没有涂层相比，C涂层使临近基体一侧界面轴向拉伸应力明显增大。这主要是因为在没有涂层、有C涂层和TiB2涂层的情况下界面相材料分别为TiC、C、及TiC和C及TiB2。(2)制备工艺条件的影响材料性能一定时，制备温度成为影响界面残余应力的主要因素，其计算公式(T=EATAff,由公式可知，温度变化量越大，界面残余应力越大。Xian Luo等12研究了Si/Cu复合材料制备温度对残余应力的影响，认为纤维四方排列，体积分数35%的复合材料制备温度有650上升到750时，相应的界面最大轴向应力（绝对值）与最大周向应力分别增加了3MPa和5MPa。为此，在满足性能要求的前提下应尽量减低复合材料制备温度，以减小残余应力。文献12指出，复合材料无应力起始温度为基体金属熔点的1/2,李健康等13虽采用混合准则及Schapery模型计算出SiC/Ti-6Al-4V残余应力的起始温度为704，但均没有考虑冷却速率对这一温度的影响14。(3)界面层的影响复合材料界面相存在的残余应力，是由于基体的固化或凝固收缩和两相间热膨胀系数的失配而造成的。无论应力大小和方向，都会影响到复合材料受载时的行为，如造成复合材料拉伸和压缩性能的明显差异等7。界面层并不是粘接得越强越好，而是要有适当的粘接强度，因为界面相还有个作用是在一定应力条件下能够脱粘，同时使增强体在基体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩檫功都提高了破坏功，有助于改善复合材料的破坏行为，即提高它的强度7。界面层的物质的成分，反应的时间都会影响残余应力的大小，界面层的厚度不同产生的残余应力不同，随着厚度的增加径向残余应力也随之变大，而环向残余应力随之变小。(4)基体材料性能的影响增强体材料与界面层相确定以后，基体材料热膨胀系数和杨氏模量越大，界面残余应力就越大。增强体热膨胀系数小于基体热膨胀系数，所以基体材料热膨胀系数越大，两者之间的差值就越大，这种由热膨胀系数不匹配引起的残余应力也就越大；基体杨氏模量也高，柔性越差，越不利于界面残余应力的释放。M.Y.Qiiek10采用单根纤维同心圆柱模型计算出其他条件不变时基体杨氏模量有3GPa，界面剪切残余应力 峰值由60KPa变为llOKPa，增加近1倍，同时由端面处界面径向残余拉伸应力由30KPa变为70KPa。纤维体积分数大于10%时，六方排布的应力峰值小于四方排布对应的峰值，而且纤维含量越高差别越大。纤维长径比增加，界面剪切残余应力峰值改变较小，但峰值为指向纤维两端移动。1.4.4复合材料中热残余应力的测量分析方法热残余应力是一种平衡的非均匀应力场，尤其在界面附近，一般处于多方向的复杂应力状态16,所以，要精确测定复合材料中的热残余应力的大小是一件非常困难的事情。在现有的研究方法中，总体分为实验法和理论计算法，实验方法主要有以下几种。(1) X射线衍射和中子衍射方法17由于X射线的穿透能力较低，利用X射线衍射的方法只能测量复合材料表面的热残余应力的大小；比较而言，中子衍射的穿透能力要强得多，约为X射线的1000倍，因此可以测量复合材料内部的热残余应力。但不管是X射线还是中子衍射，都有一定的粒子束斑直径，即使微小X射线束，其直径也有30mm左右，远大于钛基复合材料界面层厚度的尺寸。所以，使用X射线和中子衍射的方法只能测得某一微区的平均应力，尤其在界面附近，更无法准确反映热残余应力的非均匀特性。(2)剥层法18将复合材料做成片状试样，逐层剥离基体，然后用X射线衍射测量基体的热残余应力分布和大小，为防止试样剥层后发生弯曲，可在试样两面对称剥层。但剥层后由于应力松弛等原因，改变了热残余应力的分布和大小，从而使人对结果提出质疑。(3)基片弯曲法19为了避免一般机械加工手段介入其它应力影响，利用电抛光或者化学腐烛的方法剥掉试样表面层，在热残余应力的作用下，试样发生弯曲，测量曲率半径，计算残余应力的大小，逐层剥离便可计算热残余应力在Z方向上的变化。一般情况下，基片弯曲法需要很高的加工精度，而且受纤维均匀排布程度的影响很大。(4)基体腐烛8其原理，先选择腐蚀基体，然后测量松弛纤维相对仍固定在基体内的纤维的长度，计算纤维的轴向应变，进而推出纤维和基体的平均热残余应力。这种方法简单易行，但对测量精度要求很高，结果也较为保守，并受纤维排布情况的影响。上述的各实验方法所测的复合材料热残余应力，都是某一尺度范围内的平均热残余应力，缺点是无法反映复合材料界面及其附近复杂的应力变化情况。而理论计算热残余应力可以从根本上克服这一弊端8。目前，理论计算复合材料热残余应力的方法大致有两种。一种是解析法，利用简化的同轴圆柱模型20-21,釆用力学的基本公式，再加上边界条件和变形协调方程进行近似的理论推导，由于计算过程中复杂的边界条件和变形协调问题,最后得到的基本上是各式各样的经验公式。另一种方法是利用有限单元法，借助计算机的快速运算能力，形象直观地研究材料中的热残余应力的分布。在有限元计算细观力学中，大多数数值计算应用了较理想的增强相周期性分布的材料模型。代表性体元的材料模型一般满足22: (1)相对于细观分析的合适尺度，即基体中的增强相尺寸和增强相间的平均间距要大于细观结构的特征尺寸（如晶界尺寸和位错运动距离）；（2)反映细观结构的几何形状、分布和界面条件。比较两种理论分析方法，解析法对增强体的排布与几何形状均进行了简化，且不适于应力场的精确求解，在复合材料界面残余应力计算中应用较少。有限元法将有限元技术与材料力学相结合，方便快捷，能模拟出材料任意微区的残余应力大小及分布状态，特别是一些实验测定难以实现的残余应力分析，且对增强体的几何形状无特殊要求。虽然有限元模型对增强体在基体中的分布进行了较大的简化，并假设界面结合良好，所得结束与实际情况仍存在误差，但综上原因，有限元法仍是复合材料热残余应力分析中使用频率很高的方法10。1.4.5金属基复合材料热残余应力对组织性能的影响A.Hutson24等人指出，径向热残余应力的大小直接影响复合材料中纤维和基体间界面剪切强度的大小，由于热残余应力的大小随温度变化明显，所以界面剪切强度也会受温度变化的影响，进而影响复合材料的高温力学性能。热残余应力对复合材料力学性能的影响非常复杂，并且一般不会直接作用，而是通过其它条件影响复合材料。例如在循环疲劳载荷作用下，由于热残余应力的加入，使疲劳裂纹所承受的实际载荷比大于施加的载荷比，并且经过一定的循环载荷后，热残余应力发生松弛，界面剪切摩檫力下降，进一步加速了疲劳裂纹的扩展速度，降低了复合材料疲劳寿命7。热残余应力对复合材料的屈服强度、压缩强度以及横向拉伸性能也有不同程度的影响25。另外，复合材料基体中存在平均残余拉应力，导致拉伸屈服强度降低，压缩屈服强度升高。复合材料中残余应力的存在是产生拉压强度差效应和包辛格效应的主要原因26。1.5 本课题研究主要内容本课题采用二维平面应变模型，运用ANSYS软件来建立复合材料的有限元模型，以此来模拟复合材料中应力的分布状况。建立二维有限元模型，选用四方分布方式，无应力温度700,加温度载荷25，比较不同界面层厚度（2、5、7m）和性能（热膨胀系数：4.8x10-6/、7.6 X10-6/、9.8x10-6/）下，SiC纤维增强复合材料周向及径向残余应力的变化，并分析影响复合材料残余应力的因素及结果。2 ANSYS有限元分析软件2.1 ANSYS软件概述 ANSYS公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授John SwJmson博士于1970年创立并发展起来的，总部设在美国宾西法尼亚州的匹兹堡，是目前世界CAE行业中最大的公司28。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS多物理场销合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的藕合计算，如：热-结构親合、磁-结构栽合以及电-磁-流体-热锅合，在PC机上生成的模型同样可运行与巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。该软件提供了一个不断改进的功能菜单，具体包括：结构高度非线性分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL)的扩展宏命令功能。ANSYS可与许多先进的CAD软件共享数据，并为各个工业领域的用户提供了分析各种问题的能力。ANSYS设计数据接口程序提供完全与设计数据相关联的分析方案，并能通过良好的用户界面完成分析。2.2有限元的发展有限单元法最早可上溯到20世纪40年代。Courant第一次应用定义在三角区域上的分续函数和最小位能原理来求解St.Veiiaiit扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平而问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了有限单元法，使人们认识到它的功效。50年代末60年代初，中国的计算数学刚起步不久在对外隔绝的情况下，冯康带领一个小组的科技人员走出了从实践到理论，再从理论到实践的发展中国计算数学的成功之路。当时的研究解决了大量的有关工程设计应力分析的大型椭圆方程计算问题，积累了丰富而有效的经验。冯康对此加以总结提高，作出了系统的理论结果。1965年冯康在应用数学与计算数学上发表的论文基于变分原理的差分格式，是中国独立于西方系统地创始了有限元法的标志。3 复合材料残余应力有限元分析3.1前言本文研究的是界面层厚度和性能对复合材料残余应力的影响主要考虑界面层厚度和热膨胀系数这两个变量对复合材料残余应力的影响通过ANSYS软件进行模拟。复合材料由异质、异性、异形的有机聚合物、无机非金属、金属等材料作为基体或增强体，通过复合工艺合而成的材料。除具备原材料的性能外，同时能产生新的性能。残余应力是构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。3.2 材料性能本次模拟所用材料分别为SiC纤维、Ti-6A1-4V基体和界面产物TiC, 根据其材料性质分别见表3.1、3.2、3.310-17，其中纤维看作线弹性材料，直径为100m，基体看作理想弹塑性材料，服从Von Mises屈服准则。表 3.1 SiC的材料性能CET(单位：10-6/)PRXYEX(单位：GPa)4.860.25414表 3.2 Ti6Al4V的材料性能CET(单位：10-6/)PRXYEX(单位：GPa)9.80.3114表 3.3 TiC的材料性能CET(单位：10-6/)PRXYEX(单位：GPa)7.60.25803.3 有限元模型在有限元计算中，大多数数值解是应用了较理想的增强相周期性分布的材料模型。代表性体元的材料模型应满足29：（1)相对习惯分析的合适尺度，即基体中的增强相尺寸和增强相间的平均间距要大于细观结构的特征尺寸（2)反应细观结构的几何形状、分布和界面条件；（3)纤维和基体之间处于理想粘合状态。本次模拟设定材料纤维排列方式为四方排列，其二维截面示意图见图3.1。 图 3.1根据复合材料结构的对称性，取图1中小正方形的1/4作为代表性体元（虚线框中部分）进行模拟，建立体积分数为35%界面层厚度分别为2、5、7m的有限元模型，见图3.2。根据文献30,复合材料的无应力温度为700，在此温度以上材料内部为自由应力状态。另外，为保证代表性体元与整个复合材料性能的一致性，设定如下边界条件：(1) X=0面上的节点在X方向的位移等于0，其对面面上的节点在X方向有相等的位移 (2) Y=0面上的节点在Y方向的位移等于0，其对面面上的节点在Y方向有相等的位移。图3.2 3.4结果与分析3.4.1界面层厚度的结果与分析（1）径向残余应力云图如图3.3（a）（b）(c)图3.3界面层厚度对复合材料径向残余应力影响云图（单位：MPa）（a）界面层厚度为2m基体中径向应力；（b）界面层厚度为5m基体中径向应力；（c）界面层厚度为7m基体中径向应力由图可看出径向残余应力沿对角线方向对称；沿X、Y方向，径向应力在界面处处于最大的压应力状态；沿着对角线方向从纤维到界面层再到基体产生的残余应力先增大后减小。界面层厚度不同产生的径向残余应力大小不同，厚度为7m产生的径向残余应力最大；厚度为2m产生的径向残余应力最小。（2）纤维与基体界面路径受力图表（图3.4）（a）（b）（c）图3.4界面层厚度对复合材料径向残余应力影响路径图（单位：MPa）（a）界面层厚度为2m；（b）界面层厚度为5m；（c）界面层厚度为7m由图3.4可看出界面残余应力在0、45、90时出现极值，列出表3. 4。由表格3.4可以看出沿对角线线方向应力最小，0 、 90时应力最大。当角度一定时，随着界面层厚度的增加所产生的径向压应力也随之变大。表 3.4 界面径向应力界面层厚度径向残余应力（MPa）045902m-181-122-1815m-171-115-1717m-167-110-167（3）环向残余应力云图及影响路径图如图3.5：（a）（b）（c）(d)(e)(f)图3.5界面层厚度对复合材料径向残余应力影响路径图（单位：MPa）（a）界面层厚度为2m基体中环向应力；（b）界面层厚度为5m基体中环向应力；（c）界面层厚度为7m基体中环向应力；（d）界面层厚度为2m环向应力路径图；（e）界面层厚度为5m环向应力路径图；（f）界面层厚度为7m环向应力路径图通过ANSYS软件模拟分析后，得出上面环向残余应力云图和纤维与基体界面路径受力图表。界面附近残余应力的大小和方向是关注的重点，从应力分布云图可以看出，界面附近基体一侧有最大环向拉应力，由界面向外延伸，拉应力逐渐减小，环向应力梯度明显。分析表明：界面路径残余应力的极值出现在=0、=45、=90的位置。靠近界面的基体，存在最大的径向残余压应力和环向拉应力，离界面距离越远，残余应力值逐渐减小。随界面层厚度从2增加到7m，基体中最大径向残余压应力值从181.95MPa降低到169.725MPa，基体中环向残余拉应力值从318.052MPa降低到312.703MPa。当界面层厚度从2增加到7m，界面层处的应力集中程度会减小，所以基体中残余应力略有降低，但界面层厚度对基体中的残余应力的影响非常小。本节以SiC/Ti-6AI-4V复合材料体系为研究对象，通过有限元模拟技术，对不同的界面层厚度对金属基复合材料热残余应力的分布情况进行研究，经过分析可得到以下结论：径向残余应力随界面层厚度的增大而增大，而环向残余应力随界面层厚度的增大而降低。3.4.2界面层性能的结果与分析（1）径向残余应力的结果与分析过ANSYS软件，根据表3.1、3.2、3.3中的数据，建立有限元二维模型，选取四方纤维分布方式，体积分数为35%，无应力温度700,温度载荷为25,纤维半径50m，保持其余参数不变，对界面层热膨胀系数分别为4.8x10-6/、7.6x10-6/、9.8x10-6/时对残余应力的影响进行模拟。如下表3.5表 3.5界面层厚度（单位：m）EX(单位：GPa)CET（单位：10-6/）4804.84807.64809.8通过ANSYS软件模拟分析后，得出如下径向残余应力云图和纤维与基体界面路径受力图表，如下图3.6（a）（b）（c）（d）（e）（f）图3.6界面层热膨胀系数对复合材料径向残余应力云图及路径图（单位：MPa）（a）界面层CTE为4.8 X10-6/基体中径向应力；（b）界面层CTE为7.6 X10-6/基体中径向应力；（c）界面层CTE为9.8 X10-6/基体中径向应力；（d）界面层CTE为4.8 X10-6/径向应力路径图；（e界面层CTE为4.8 X10-6/径向应力路径图；（f）界面层CTE为4.8 X10-6/径向应力路径图当界面层热膨胀系数小于7.6 X10-6/时，热膨胀系数的变化对TMC复合材料径向残余应力的影响并不明显，然后当热膨胀系数大于7.6 X10-6/时，纤维中的径向残余应力明显增加，基体中的残余应力有所降低，从而导致界面层应力梯度大，极易发生失效。（2）环向残余应力的结果与分析通过ANSYS软件模拟分析后，得出如下环向残余应力云图和纤维与基体界面路径受力图表，如下图3.7（a）（b）（c）（d）（e）（f）图3.7界面层热膨胀系数对复合材料环向残余应力云图及路径图（单位：MPa）（a）界面层CTE为4.8 X10-6/基体中环向应力；（b）界面层CTE为7.6 X10-6/基体中环向应力；（c）界面层CTE为9.8 X10-6/基体中环向应力；（d）界面层CTE为4.8 X10-6/环向应力路环图；（e）界面层CTE为4.8 X10-6/环向应力路环图；（f）界面层CTE为4.8 X10-6/环向应力路环图可以看出，界面层热膨胀系数的变化对纤维和基体中环向残余应力的影响不大，但对界面层内环向残余应力的影响非常大。随着界面层热膨胀系数的增加，界面层内环向残余应力由压应力状态转变为拉应力状态。而界面层内环向残余应力呈拉应力状态将导致径向裂纹产生，特别是当复合材料中纤维间距较小时31。当界面层的热膨胀系数较低时，热膨胀系数的变化对复合材料的径向残余应力影响不大。但随着界面层热膨胀系数增加，界面层内环向残余应力由压应力转变为拉应力，可导致界面层内产生径向裂纹。结 论本文采用有限单元法，对钛基复合材料的热残余应力进行了数值模拟研究，讨论了界面层厚度对复合材料热残余应力的影响。本文的主要结论：在其他条件一定时，复合材料的径向残余应力随界面层厚度的增大而增大，环向残余应力随界面层厚度的增大而降低。当界面层的热膨胀系数较低时，热膨胀系数的变化对复合材料的径向残余应力影响不大。但随着界面层热膨胀系数增加，界面层内环向残余应力由压应力转变为拉应力，可导致界面层内产生径向裂纹。由于时间的原因，本文中依然有相当多的不足之处，在论文完成之后，本人认为还有以下工作要做：(1)建立更符合实际的三维物理模型；(2)本文中材料性质（泊松比、热膨胀系数、温度、弹性模量）都是参考相关资料，若有条件己测试得到相应数据。(3)本文中界面层生成的材料只考虑了一种，考虑不完全造成数据的误差。(4)本文只选择了界面层厚度为2m、5m、7m三种情况进行模拟，可以将界面层厚度划分的更加详细进行模拟，来获得更具体更真实的热残余应力分布。（5）本文只选择了界面层性能中的热膨胀系数为4.8 X10-6/、7.6 X10-6/、9.8 X10-6/三种情况进行模拟，可以将界面层热膨胀系数划分的更加详细进行模拟，来获得更具体更真实的热残余应力分布。参考文献1王倩，高建国，马讳民.金属基复合材料的发展与应用J.沈阳大学学报，2007,1 (2) :10112于春田.金属基复合材料的发展及展望J.沈則大学学报，1994，12:36393赵玉涛.金属基复合材料M.普通高等教育“十一五”国家级规划教材，20104董桑林.钛基复合材料的进展J.稀有金属，1993,17 (3)： 3123175刘超凡.钛基复合材料的应用J，2010:126dongJikp .钛基复合材料J, 20127杨序纲.复合材料界而J化学工业出版社，20108马志军，杨延清，朱艳，陈彦.连续纤维增强钛基复合材料热残余应力的研究展J.稀有金属材料与工程，2004，33 (12) ： 124812519Huang Bin，Yang Yangqing，Luo HengJun, et al.Effect of coating system anginterfacial region thickness on the thermal residual stress in SiC/Ti-6Al-4V composites J 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