毕业设计（论文）-铸造夹杂物对挂舵臂机械性能的影响.doc

河南科技大学毕业设计(论文)铸造夹杂物对挂舵臂机械性能的影响摘 要钢中的非金属夹杂物对钢质量和性能的影响，不仅取决于夹杂物数量的多少，而且与夹杂物的类型、形状、大小、变形行为和分布情况有着密切的关系。材料的损伤演化一般都是从夹杂物与基体界面处开始的,研究材料夹杂物与基体周围的应力、应变场分布对材料的失效是有重要意义的。本文介绍了夹杂物的分类、来源、形态分布和形成过程，并且采用ANSYS有限元分析软件，对在大型挂舵臂铸钢件试样中出现的不同类型、形状、分布、数量的夹杂物建立了有限元模型，计算在单向拉伸变载荷作用下，夹杂物及其周围基体等效应力场的分布。结果表明：试样中的应力场分布与夹杂物的数量、种类、形态、夹杂物之间的距离、材料的弹性模量等有密切的关系，其中夹杂物和基体的弹性模量的差距及夹杂物的形态、距离对试样内的应力集中程度及最大应力影响最显著。通过严格控制挂舵臂化学成分、冶炼工艺和热处理工艺，可消除缩松、裂纹等缺陷，在钢中加入微量的稀土元素，能够细化晶粒，改善钢中夹杂物的形态和分布, 使夹杂物由长条形转变为球形，由分布于晶界转变为弥散分布于晶内，显著提高钢的质量和机械力学性能。关键词：挂舵臂，ANSYS，夹杂物，最大应力The Impact of Mixed Sundries on the Mechanical Performance of Rudder ArmABSTRACTImpact of non-metallic sundries contained in steel on the quality and performance of the steel depends not only on the quantity of these sundries, but also their type, shape, size, deformation behavior and. Material damage evolution generally starts at the interface between sundaries and matrix. So researching the stress of sundries against surrounding matrix and the distribution of stress field is very significant for the problem of inferior materialThis paper introduced the classification, source, species distribution and the formation process of sundries, and built finite element model with ANSYS finite element analysis software. Then we calculate stress field distribution of sundries and surrounding matrix under the load of uniaxial tension. The results show: stress distribution have a close relationship with the number, type, shape and the distance of sundries. Anyway, the most significant impact on the stress concentration degree and the maximal stress is the difference between the elastic modulus in sundries and matrix , the shape of these sundries and the distance between them.To eliminate shrinkage and cracks defects we can take measures such as controlling chemical composition of the rudder arm, smelting process and heat treatment process. Adding a trace amount of the rare earth element in the steel can refine crystalloid grains and improve the shape and distribution of sundries in the steel so that the shape of sundries change from strip to spherical and they diffuse from the boundary to the within of crystalloid grains, and therefore significantly improve the quality and mechanical properties of steel.KEY WORDS: rudder arm, ANSYS, inclusions, maximum stress目 录前 言1第一章 挂舵臂概况21.1 挂舵臂简介21.2 选题意义及主要研究内容3第二章 夹杂物概况42.1 夹杂物的分类42.2 非金属夹杂物的来源及其形成过程42.3 减少夹杂物的措施62.4 大型挂舵臂铸钢件试样中断口和夹杂物形貌62.4.1 大型挂舵臂铸钢件试样中断口形貌72.4.2 大型挂舵臂铸钢件试样中夹杂物形貌7第三章 夹杂物对挂舵臂机械性能影响的数值模拟93.1 有限元概述93.2 ANSYS概述93.3 有限元模型的假设123.4 有限元模型的建立133.4.1 单颗粒有限元模型133.4.2 双颗粒有限元模型19参考文献23致 谢25IV河南科技大学毕业设计(论文)前 言近年来，中国抓住了经济全球化的机遇，加快改革，扩大开放，成为发展中国家在全球化中受益最大的国家之一。目前，“中国因素”已成为世界经济不可忽视的强劲力量。2006年我国经济增长率为10.7%，已连续4年达到或超过10%，这样的经济增速让世界无比震惊。而这一切，也为中国船舶工业的发展提供了良好契机，再加之世界造船中心东移的趋势日渐明显，在这种背景下，中国造船工业发展一日千里，进入了国际主流造船市场。据统计，2006年中国造船业新造船订单达到687.2万载重吨，相当于全球新船订造总量的24，已连续12年成为世界第三造船大国，并与韩国和日本的差距明显缩小。预计到2015年，中国造船年产量达到2400万载重吨，将成为世界造船第一大国。从世界经济局势和中国经济发展势头以及世界造船东移的情况来看，中国具备了成为造船强国所具有的基本条件，但技术问题是中国造船业发展的最大瓶颈。挂舵臂是支撑、吊挂舵结构的关键件，一般使用铸造低碳钢。随着科学技术的进步,各行各业对钢材性能和质量的要求越来越高。纯净钢的市场需求不断增加,关于夹杂物对钢机械性能的研究也越来越深入。钢的机械性能的高低与钢中夹杂物的种类、形态、数量、尺寸及其在钢中的分布有关系。只要挂舵臂存在有微量的缩孔、缩松、裂纹、夹杂等缺陷，都可能给船舶的运行带来巨大的危险。因此，研究夹杂物对钢的机械性能的影响具有重大意25第一章 挂舵臂概况1.1 挂舵臂简介船舶挂舵臂是支撑、吊挂舵结构的关键件，并且受到海水的冲击,承受较大的载荷，挂舵臂的性能和质量在船舶的使用过程中起到非常重要的作用，其质量的好坏直接关系到整艘船舶下水点和建造质量，挂舵臂一般使用铸造低碳钢，在Fe-C相图中位于包晶区，其凝固特性决定了铸件易形成显微缩松1，只要挂舵臂存在有微量的缩孔、缩松、裂纹、夹杂等缺陷，都可能给船舶的运行带来巨大的危险。挂舵臂铸钢件大都为小批量生产，铸件重量大（单件重量80-157吨）耗用钢水材料多。目前，国际上船舶制造业向大型化发展，挂舵臂铸钢件也越来越大(单件重量80-157吨)，对铸件质量要求极高。挂舵臂一般采用铸造低碳钢，其铸造工艺复杂，铸件凝固过程很难控制，这些大型铸钢件在铸造过程中具有如下特点：1 铸造低碳钢在Fe-C相图中位于包晶区，铸件容易形成显微缩松，磁粉探伤后出现超标磁痕显示，特别是加工后不易进行返修焊补和回火处理。2 挂舵臂几乎所有面均为曲面，形状均为流线型，每个断面尺寸均不相同，给造型造成很大的困难。3 挂舵臂重量大（挂舵臂80-157吨），要保证平炉和电炉同时熔炼出质量合格的钢液，从而实现连续浇注。4 挂舵臂铸刚件具有断面尺寸大，凝固时间长，收缩严重等特点。由于上述原因，这些特大型铸钢件成型过程很难控制，在实际生产中容易产生缩孔，缩松，应力变形及热裂等铸造缺陷，其生产工艺也较为复杂，经常由于铸件内部缺陷多，超声波探伤和磁粉探伤不合格，从而造成巨大的经济浪费。挂舵臂是远洋货轮上的重要受力件,挂舵臂的外型轮廓尺寸为762918605639mm,重量为82t，材质为：KSC49，化学成分（质量分数%）见表1-1。铸造难度大,浇冒口处、圆角处、机加工表面和特殊表面均要求超声探伤和着色探伤。挂舵臂的热节出现在壁和舵轴孔的联接处、壁的厚大部位和筋板的根部。解决挂舵壁轴孔处的缩孔、缩松是最困难的问题。表1-1 化学成分（质量分数%）材质CPS残余元素（总量不大于1）CrNiMoCuKSC490.180.230.400.600.890.920.0250.010.200.500.200.301.2 选题意义及主要研究内容对于夹杂物问题的开创性研究工作是由J.D.Eshelby2完成的。1957年，他首次提出由于夹杂物的存在而产生的对应力场的影响可通过设定夹杂物引起本征应变来模拟。这种等效办法被称为等效夹杂物方法。该方法是细观力学中提出较早、影响较大的一种方法。然而要获得夹杂物问题的解析解却是十分繁琐和困难的。随着近代精炼技术的发展,钢的“洁净度”3大大提高,然而要生产出不含非金属夹杂物的钢是很困难的。非金属夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能,使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变，其凝固特性决定了铸件易形成显微缩松，只要挂舵臂存在有微量的缩孔、缩松、裂纹、夹杂等缺陷，都可能给船舶的运行带来巨大的危险。所以研究夹杂物对钢机械性能的影响具有重要意义。本文研究的主要内容：1 利用扫描电镜对挂舵臂试样，进行组织、拉伸断口进行分析，并进行能谱分析，检测出夹杂物的类型。2 利用ANSYS有限元分析软件，分别建立了不同类型的夹杂物有限元模型，计算在不同载荷下，夹杂物及其基体周围的应力场、应变场分布。进而从宏观力学角度分析夹杂物的力学行为。及其对挂舵臂机械性能的影响，结合必要的力学性能测试，为挂舵臂合理使用提供必要的参考第二章 夹杂物概况2.1 夹杂物的分类各种类型的非金属夹杂物对钢的性能的影响是极其错综复杂的。夹杂物的种类5，按夹杂物的尺寸分类，大致分为三类：亚显微夹杂，其直径小于1m；显微夹杂，其直径为1-10m和直径大于100m的大型夹杂5。一般认为亚显微夹杂多半无害。显微夹杂主要是脱氧产物，它对高强度钢的疲劳性能和断裂韧性影响极大，它的含量与钢中溶解氧量相对应；大型夹杂在干净钢中数量很少，但对钢的表面和内部质量影响最大。按夹杂物化学成分分类，钢中非金属夹杂物可以分成三组：1 氧化物夹杂。氧化物的主要成分是Al2O3、CaO、SiO2、和MgO。2 硫化物夹杂。硫化物是普通碳钢、低合金钢中常出现的有害夹杂物，它的主要成分是MnS，其中含有少量的FeS。硫化锰的形态、分布各异，按西姆斯等人提出的分类方法，硫化物夹杂分成三类：类球状；类点链状晶间薄膜状；类任意分布的尖角状。这三种硫化物形态中，以类硫化物对钢的危害性最大6-9。此类夹杂物以网状、片状等不利的形状分布特性存在时，破坏了钢基体的均匀连续性，造成了应力集中，微裂纹首先在夹杂物上形核、长大、扩展而导致材料的断裂,类次之,类较小。3 氮化物夹杂。如VN、TiN、AlN等。2.2 非金属夹杂物的来源及其形成过程一、非金属夹杂物的来源钢中的非金属夹杂物来源于两个方面，一是随冶炼过程产生,即在出钢时加入铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢液和空气的二次氧化产物,称内生夹杂物,此类夹杂物一般颗粒细小,在钢中分布均匀;二是因种种原因从外界带入的,称外来夹杂物,此类夹杂物外形多不规则、尺寸较大且分布不均匀,是产生裂纹的主要原因,对钢的危害性较大。内生夹杂物主要产生于下列几种情况:1 在冶炼过程中,脱氧产物未能全部排除,或浇注过程中温度下降,继续反应生成的脱氧产物来不及上浮残留于钢液中,它们有的以小质点存在于钢的基体组织中,有的则集聚成大颗粒(如Al2O3),有的则以固溶状态存在于钢中(如MnO、FeO)。2. 在出钢及浇注过程中,钢液与空气接触被氧化,氧与钢中元素结合形成二次氧化物留在钢液中;在钢液凝固过程中,低熔点的FeS、FeO等由于钢液“选分结晶”,最后在晶粒边界及树枝晶间析出。外来夹杂物:这类夹杂主要由原料带入泥沙、熔渣及保护渣等卷入,浇注系统的耐火材料受钢液冲刷、浸蚀等进入,滞留于钢液中,多为大颗粒夹杂物。非金属夹杂物在高温下或溶解于钢液中,或单独存在于钢液中,但随着温度的下降及成分、气体压力等条件的改变,原来溶解于钢液中的夹杂物,将以独立相分离出来,在结晶过程中聚集于晶界上,成为割断铸钢基体连接的微小单元,形成裂纹的最初源头,从而形成了裂纹的潜在隐患。二、非金属夹杂物的形成过程1. 浇注前形成的非金属夹杂物金属在熔炼和炉前处理时，产生的非金属夹杂物可能是脱氧，脱硫产物，也可能是金属液与炉衬相互作用的产物。浇注前许多尺寸较大的夹杂物上浮到金属液表面，经多次扒渣，大部分被清除，但还有数量客观的尺寸较小的非金属夹杂物残留在金属液内，随液流一起注入型腔，铸件凝固后还还留在内部成为非金属夹杂物。2. 浇注时形成的的非金属夹杂物在浇注及冲型过程中形成的非金属夹杂物主要是氧化物，所以又称为二次氧化夹杂物。液体金属与大气接触时，金属液表面层易氧化元素被氧化后，金属液内部该元素的原子则不断向表面扩散，又与被金属液表面所吸附的氧原子相互作用而被氧化。金属液表面很快生成一层薄膜。同时，表面吸附的氧原子也不断地向内扩散，氧化膜不断地增厚，但氧原子向内扩散的距离不大，当形成一层致密的氧化膜后阻止了氧原子继续向内扩散，氧化膜就不再加厚，如果氧化膜一旦被破坏表面又会生产一层新的氧化膜。3. 凝固时形成的非金属夹杂物合金液在凝固过程中，由于溶质再分配的结果，液相中的溶质浓度不断增高，出现偏析液相。当枝晶间的偏析达到过饱和时，则析出非金属夹杂物，又称偏析及杂物。事实上偏析液的成分是复杂的，且各枝晶间的液相成分也不同因此生产的夹杂物也不相同，既可能生成MnS、MnO等固态夹杂物也可能生成硅酸盐等液态夹杂物。应该指出的是枝晶间残留的偏析液通常是易熔，最后将进行二元和三元共晶反应，生成物以网状存在于晶界上，这种共晶体对钢的危害更大是铸件产生热裂的主要原因。2.3 减少夹杂物的措施钢中夹杂物是铸钢裂纹产生的主要原因,同时对钢的质量和力学性能等有很大影响,必须严格控制。用铝脱氧是目前应用广泛的钢脱氧方法。工业生产中通常采用两种脱氧工艺，一种是加铝脱氧工艺,另一种是控铝脱氧工艺。前者是先用铝将钢中的溶解氧完全脱除，然后通过各种方式的搅拌Al2O3夹杂尽可能多地去除，后者是仅用硅锰粗脱氧，并严格控制钢中的铝和钙含量，以便控制钢中析出的氧化物夹杂的成分、性质和形态。前者的一次脱氧率大于90%，脱氧产物主要是Al2O3，后者一次脱氧析出的脱氧产物量大大减少,一次脱氧产物主要是SiO2。外来夹杂物可以根据其来源采取相应措施加以去除,而内生夹杂物却需通过脱氧工艺及钙处理工艺新技术加以控制为了更好的去除钢中的夹杂物,减少裂纹,冶炼操作采取以下措施10-11：1. 做好原材料准备工作，防止产生外来夹杂。2. 采取合理的炼钢工艺，如采取合理的吹氧、配电工艺，保证一定的脱碳速度使夹杂上浮，保持良好的炉况等。3. 采取复合脱氧剂代替单一脱氧剂。4. 炉后钢包内加稀土，改变夹杂物形状，减少夹杂，以减少铸钢件裂纹倾向，增加钢液流动性。5. 为了有利于夹杂上浮排除，除了保证足够的钢液温度外，出钢后钢液在钢包内要适当静置。另外,使用高质量的耐火材料，保证浇注系统洁净或使用过滤网，也是减少夹杂的重要措施。2.4 大型挂舵臂铸钢件试样中断口和夹杂物形貌2.4.1 大型挂舵臂铸钢件试样中断口形貌 图2-1 启裂区 图2-2 扩展区图2-3 终断区对冲击试样进行超声波清洗后，采用JSM5610LV扫描电镜进行断口形貌观察。其断口形貌如图2-1、2-2、2-3所示。图2-1是启裂区的断口形貌，图2-2是其裂纹扩展区的形貌，主要为韧窝。图2-3是终断区的形貌。2.4.2 大型挂舵臂铸钢件试样中夹杂物形貌图2-4、2-5、2-6为在扫描电镜下，利用EDAS-falcon能谱仪，在其断口上观察的夹杂物的形貌。 图2-4 鱼骨状夹杂 图2-5 鱼骨状夹杂图2-6 鱼骨状夹杂 第三章 夹杂物对挂舵臂机械性能影响的数值模拟3.1 有限元概述一、有限元法的发展1. 1943年R.Courant首次提出离散化的概念。2. 五十年代有限元首次用于飞机设计中，1956年M.J.Turner和R.w.Clough等人用矩阵对飞机结构进行了受力和变形分析。3. 1960年R.W.Clough首次提出“有限元”这个名词，有限元发作为一种数值分析方法正式出现于工程技术领域。4. 六、七十年代中国在设计水坝中应用了有限元法，独立的发展了有特色的数学理论基础。5. 目前国内所用到的有限元程序有SAP、NASTRAN、ANSYS等。二、有限元的基本思想有限单元法的基本思想使将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设立有限个节点，将连续体看作使只在节点处连续的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一个近似插值函数以表示单元值场函数的分布规律；进而利用力学中的某种变分原理去建立用以求解节点未知量的有限单元方程，从而将一个连续域中的无限自由问题转化为离散域中的有限自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的差值函数确定单元上以致整个集合体上的场函数12。3.2 ANSYS概述一、ANSYS简介ANSYS程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析13。计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APLD）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统是用户能够通过对话框、下拉菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用ANSYS有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。ANSYA软件能与大多数CAD软件实现数据共享与交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS和AutoCAD等，它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。14-16二、ANSYS功能1. 前处理模块（PREP7）ANSYS软件的前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建模和网格划分。（1） 参数定义ANSYS程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被建模型的材料进行擦参数定义。包括定义使用单位制，定义所使用单元类型，定义单元的实常数，定义材料的特性以及使用材料库文件等。单元类型的定义是结构进行网格划分的必要前提，ANSYS程序根据所定义的单元类型进行实际的网格划分。而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性。（2） 实体建模在实体建模过程中，ANSYS程序提供了两种方法：从高级到低级的建模与从低级到高级的建模。对于一个有限元模型，图元的等级从低到高分别是：点、线、面和体。ANSYS程序提供了很大高级图元的建立，如球体、圆柱等。当用户直接构建高级图元时，程序则自动定义相关的低级图元（面、线和关键点）。此外，用户也可以先定义点、线、面，然后由所定义的图元生成体。无论用户采用哪种方式进行建模，都需要进行布尔操作来组合结构数据，以构建用户想要得到的模型。例如加运算、减运算、相交、删除、重叠和粘贴。（3） 网格划分ANSYS系统的网格划分功能十分强大，使用起来十分便捷。从使用选择角度来讲，程序的网格划分可以分为系统智能划分和人工划分两种。从网格划分的功能来讲，则包括四种划分方式：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸划分时将一个二维网格延伸成一个三维网格单元。映像划分时将一个几何模型分解成几个部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，分别加以划分生成映像网格。ANSYS程序提供了六面体、四面体和三角形的映像划分。自由划分时由ANSYS程序的网格自由划分器来实现的，通过这种划分可以避免不同组件在装配过程中网格不匹配带来的问题。自适应网格划分时在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动产生有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或者达到用户定义的求解次数。2. 求解模块求解模块时程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解的。在息此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。（1） 定义分析类型和分析选项用户可以根据所施加载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。例如，要计算固有频率和模态，就必须选择模态分析。在ANSYS程序中，可以进行下列类型的分析：静态（或稳态）、瞬态、调谐、模态、谱、挠度和子机构。分析选项允许用户自定义分析类型。典型的分析选项是求解的方法、应力硬化的打开和关闭以及NewtonRaphson选择。（2） 载荷一般所谓的载荷应该包括边界条件（约束、支承或边界场的参数）和其他外部或内部作用载荷。在ANSYS程序中，载荷分为六类：DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷。（3） 指定载荷步载荷步选项是用于更改载荷步的选项，如子步数、载荷步的结束时间和输出控制。根据所作分析的类型，载荷步选项可有可无。3. 后处理模块（POST1和POST26）当完成计算以后，可以通过后处理器查看结果。ANSYS程序的后处理包含两个部分：通用后处理模块（POST1）和时间历程后处理模块（POST26）。通过程序的菜单操作，可以很方便地获得求解的计算结果。结构文件的输出形式有图形显示和数据列表显示两种。（1） 通用后处理模块（POST1）通用后处理器可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步（时间步）的结果。可以获得等值线显示、变型形状以及检查和解释分析的结果和列表。POST1也提供了很多其他的功能，包括误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等。通过单击主菜单中的General Postproc可以直接进入到通用后处理模块。（2） 时间历程后处理模块（POST26）POST26为时间历程后处理模块，可用于查看模型的特定点在所有时间步内的结果。可获得结果数据对时间（或频率）的关系的图形曲线以及列表。如绘制位移时间列表，应力应变曲线等。另外，POST26还具有其他的功能：可以进行曲线的代数运算，变量直接可以进行加、减、乘、除运算以产生新的曲线；也可以取绝对值、平方根、对数、指数以及求最大和最小值等；并且也可以求出曲线的微积分运算；还能够下时间历程结果中生成谱响应。3.3 有限元模型的假设在有限元计算力学中，大多数数值解是应用了较理想的增强相周期分布的材料模型。代表性体元的材料模型应满足：1. 相对于细观分析的合适尺寸，即基体中的增强相尺寸和增强相间的平均距离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；3. 加强颗粒和基体之间处于理想粘合状态。材料中基体和增强体可分别视为各向同性的均匀材料，同时，加入基体的增强体在体积分数不高时，可认为它们均匀地弥散于基体中。所以假定具有周期性排列的颗粒增强金属基锰合金是由无数的六方柱体叠加在一起的组织结构，为了计算方便，进一步将六方柱体胞元简化为圆柱体胞元。取一圆柱体胞元和其网格划分，如图3-1所示：图3-1 圆柱体模型 图3-2 网格划分3.4 有限元模型的建立本章建立了五种具有代表性的有限元模型：一是较理想状态的三个单元胞模型，这里假设每一个单元胞里只含有一个颗粒且颗粒的形状分别为圆形、菱形和五边形，进而来分析单个颗粒对材料机械性能的影响10-20；二是两种形状的颗粒在同一单元胞里，考虑到颗粒位置的影响，这里同样也建立了三种类似的单元胞模型。本章进行的模拟实验的应力取：0、5、10、15、20五种力的增加量。3.4.1 单颗粒有限元模型一、模型建立及网格划分采用平面有限元单元类型（PLANE42）来模拟，对上述鱼骨状夹杂物形状进行简化,取其形状分别为圆形、正方形、等腰梯形、菱形、五边形。基体尺寸：100100m，夹杂物尺寸20m，若考虑到体积分数对应力的影响。则使每个夹杂物体积相当，即圆形、正方形、等腰梯形面积大体相等即可，基体材料为：KSC49，其物性参数为：弹性模量E1=2105MPa，泊松比=0.26。屈服应力：310Mpa。夹杂物分为两种类型，其物性参数分别为E2=1105Mpa，0.2；E3=3105Mpa,=0.3。在单向拉伸条件下，受拉力F=-155（1+n%）MPa，其中n分别为0、5、10、15、20。其对应的受拉力值为-155、-163、-170、-178、-186，其中负号表示受拉力作用。方向为垂直方向。 图3-3 圆形颗粒模型 图3-4 网格划分 图3-5 正方形颗粒模型 图3-6 网格划分 图3-7 等腰梯形颗粒模型 图3-8 网格划分 图3-9 菱形颗粒模型 图3-10 网格划分 图3-11 五边形颗粒模型 图3-12网格划分二、结果分析对上述不同类型（弹性模量，泊松比不同）的夹杂物进行有限元分析，计算在单向拉伸条件下，受拉力F=186MPa时，对试样内应力分布的影响如图3-14到3-23所示。由于应力在水平方向上变化明显，所以在此方向上做出路径，图3-24到3-33为在上述路径下的应力曲线图。夹杂物形状和弹性模量对试样最大应力的影响如图3-34所示。可得出如下结论：1. 对于所研究的这几种形状夹杂物，最大应力均发生在与单向拉伸方向垂直的夹杂物和基体的界面处。当E3比E1大（E3/E1=1.5）时，最大应力发生在夹杂物内；当E2比E1小（E2/E1=0.5）时，最大应力发生在基体上。2. 由图3-24到3-33可以发现它们的共同点是在路径上夹杂物与基体界面处，应力值急剧的增大，产生了很大的应力梯度，在此处造成应力集中。不同的是，它们的应力增长趋势不同，当E2/E1=0.5时，变化趋势为：应力从某一固定值逐渐升高，到达最高点，突然急剧下降到最低点,在路径某一段区域内，应力值有小幅度的变化或应力值在某一固定值不变（圆形）。当E3/E1=1.5时，变化趋势为：应力值从某一固定值逐渐减小，到达最低点，在夹杂物内部应力突然急剧增大，到达最大值，应力值有小幅度的变化或应力值在某以固定值不变（圆形）。3. 不同形状的夹杂物所引起试样内的应力集中程度随夹杂物和基体的弹性模量的差距的增大而增大。(如图3-34)4. 对于所研究的这几种形状夹杂物，当E3比E1大（E3/E1=1.5）时，圆形夹杂物内的应力分布较均匀，且最大应力相对较小。菱形次之。而五边形夹杂物内的应力分布更不均匀，且最大应力也最大。与之相反，当E2比E1小（E2/E1=0.5）时，基体内的应力集中程度为五边形夹杂的试样最小，而圆形夹杂的试样最大。5. 对于圆形夹杂物，当E3比E1大（E3/E1=1.5）时，在夹杂内引起的应力集中程度比E2比E1（E2/E1=0.5）小时在基体内引起的应力集中程度要小。而对于正方形、等腰梯形、菱形和五边形夹杂物，在试样内引起的应力集中程度正相反。6. 对与所研究的这几种夹杂物，当E3比E1大时，力的增加量取某一定值时，其中五边形夹杂物对最大应力的影响最大，菱形次之、圆形最小。如图3-36、图3-37、图3-38所示，当E2比E1小时，五边形夹杂物对基体的最大应力影响最大，圆形次之、菱形最小。如图3-35所示。 图3-13 圆形E2/E1=0.5 图3-14 圆形E3/E1=1.5 图3-15 正方形 E2/E1=0.5 图3-16 正方形E3/E1=1.5 图3-17 等腰梯形E2/E1=0.5 图3-18 等腰梯形E3/E1=1.5 图3-19 菱形E2/E1=0.5 图3-20 菱形E3/E1=1.5 图3-21 五边形E2/E1=0.5图3-22 五边形E3/E1=1.5 图3-23 圆形E2/E1=0.5 图3-24 圆形E3/E1=1.5 图3-25 正方形E2/E1=0.5 图3-26 正方形E3/E1=1.5 图3-27 等腰梯形E2/E1=0.5 图3-28 等腰梯形E3/E1=1.5 图3-29 菱形E2/E1=0.5 图3-30 菱形E3/E1=1.5 图3-31 五边形E2/E1=0.5图3-32 五边形E3/E1=1.5图3-33 夹杂物形状和弹性模量对试样最大应力的影响 图3-34 E2/E1=0.5 图3-35 E2/E1=1.5 图3-36 E2/E1=2 图3-37 E2/E1=2.5 3.4.2 双颗粒有限元模型一、模型建立及网格划分基体尺寸为：100100m，夹杂物尺寸为：20m。 图3-38 模型 图3-39 网格划分 图3-40 模型 图3-41 网格划分二、结果分析圆形和正方形夹杂物的间距对试样内的应力分布的影响如图3-43到3-46。由图3-43到3-46，可见，在以下两种情况下：（1）圆形和正方形夹杂物的方位与拉力垂直、E2/ E1=0.5;（2）圆形和正方形夹杂物的方位与拉力平行、E3/ E1=1.5时，圆形和正方形夹杂物的间距对试样内的应力分布及最大应力的影响明显。特别是圆形和正方形夹杂物的方位与拉力平行，当E3/ E1=1.5时，最大应力将发生在正方形夹杂物和基体的边界处。其距离对试样内最大应力的影响如图3-47。由图3-47可见，这两种情况下的最大应力随着圆形和正方形夹杂物的靠近而快速增加，当两夹杂距离增大到球径的两倍时，它们的距离对最大应力的影响很小。而对于另外两种情况：（1）圆形和正方形夹杂物的方位与拉力垂直，E3/ E1=1.5;（2）圆形和正方形夹杂物的方位与拉力平行，E2/ E1=0.5时，夹杂物的间距对试样内的应力分布及最大应力的影响不大。 图3-42 E2/E1=0.5拉力与方位垂直 图3-43 E3/E1=1.5拉力与方位垂直 图3-44 E2/E1=0.5方位与拉力平行 图3-45 E3/E1=1.5方位与拉力平行 图3-46 两夹杂距离对试样内最大应力的影响结 论1. 在夹杂物附近的区域，应力值急剧增大，离开这个区域稍远，应力又急剧的减小，从而在夹杂物附近产生应力集中。2. 不同形状的夹杂物所引起试样内的应力集中程度随夹杂物和基体的弹性模量的差距的增大而增大。3. 当夹杂相对于基体尺寸较小时，圆形夹杂物尺寸对试样内的应力分布及最大应力的影响不大。4. 圆形和正方形夹杂物的方位与拉力垂直、E2/E1=0.5时和圆形和正方形夹杂物的方位与拉力平行、E3/E1=1.5时，球形夹杂物的间距对试样内的应力分布及最大应力的影响明显。5. 夹杂物的类型对试样内的应力集中程度及最大正应力影响也很大。对于所研究的这几种形状夹杂物，当E3比E1大（E3/E1=1.5）时，圆形夹杂物内的应力分布较均匀，且最大应力相对较小。菱形次之。而五边形夹杂物内的应力分布更不均匀，且最大应力也最大。与