（材料加工工程专业论文）微胶囊自修复体系的数值模拟.pdf

n u m e n c a ls i m u l a t i o n 一一- i - o f s e l f - h e a l i n gs y s t e m w i t hm i c r o c a p s u l e s b y b e ( y a n g t z eu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ix u d o n g a p r i l ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 强状 日期：加，年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：少，年 日期：弛，年 彩月厂日 多月7日 ， l 一 摘 a b 第 第 第 第 第 结 参 致 附 硕士学位论文 摘要 态文以“数字材料技术羞先导，对微胶囊自修复复合材料的微结构进行表征， 以“数值材料”技术为核心，研究自修复体系细观尺度的力学性能及失效行为，达 到对材料微结构的“性能导向型”设计和性能预测的目的。 材料的微观组织结构对材料的力学性能和失效行为有着直接的影响。在具有 材料微观组织结构的代表性体积单元( r v e ) 上进行计算自修复体系的细观力学响 应，通过改变自修复体系r v e 的几何特征，用于研究微结构对性能的影响程度。 本文旨在研究与建立用于自修复体系微结构仿真，力学性能预测，微裂纹启 裂及扩展模拟，裂纹修复及修复强度预测的平台。我们通过对力学试验的模拟， 预测其自修复体系性能，根据“材料结构弱点”概念评估微结构内微裂纹的启裂和 扩展，推演自修复体系微结构的“虚拟失效行为”，并结合程序设计和对有限元软 件a b a q u s 的二次开发对平台进行搭建。 对于微胶囊自修复复合材料微结构，根据实际测的的几何特征，分布信息， 采用球填充算法作为核心部分，通过对a b a q u s 的前处理进行二次开发，完成 自修复体系r v e 的仿真，实现了自动化，参数化，简易高效的几何建模方式。 在进行力学性能预测时，我们编写p y t h o n 脚本实现了：不同自修复r v e 结 构的网格划分；不同工况，不同分析过程的自动建模；自动提交计算，评估分析 结果，并根据分析结果计算力学性能。 同时根据材料微结构力学计算的数值解，识别“材料结构弱点”，通过编写外 部程序，采用损伤失效模型，研究自修复体系内微裂纹( 群) 的启裂、扩展，推演 微结构“虚拟失效行为”。完成了单向拉伸载荷和热交变载荷的作用下，自修复体 系r v e 微裂纹的启裂和扩展的模拟。同时利用微裂纹的扩展的结果，根据指定的 修复率，将失效部位赋予修复后的材料，重新加入几何模型，实现“虚拟裂纹修复”， 并进行修复强度的预测，评估了修复部位材料强度达到原始强度的百分率。 最后，根据研究需要，为避免大量繁琐的有限元建模操作过程，我们将研究 过程中用到的预测方法，实现方式通过程序设计进行整合，便于在自修复体系模 拟平台中进行功能添加。 关键词：数字材料；微胶囊自修复材料：材料微结构；力学性能；虚拟失效； a b a q u s 二次开发。 l 1 一 微胶囊自修复体系的数值模拟 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，”d i g i t a lm a t e r i a l s t e c h n o l o g y a st h e g u i d e ，s e l f - h e a l i n g m i c r o c a p s u l e sc o m p o s i t em i c r o s t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e da s v a l u em a t e r i a l a s t h ec o r et e c h n o l o g yo fs e l f - r e p a i rs y s t e mo fm i c r o s c a l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d f a i l u r eb e h a v i o ro fm a t e r i a l st om i c r o s t r u c t u r eo ft h e ”p e r f o r m a n c e - o r i e n t e d ”d e s i g n a n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o np u r p o s e s m a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sh a sad i r e c t i m p a c tf a i l u r eb e h a v i o r w i t ht h em a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r ei nt h er e p r e s e n t a t i v ev o l u m e e l e m e n t ( r v e ) i sc a l c u l a t e ds e l f - r e p a i rs y s t e mo nt h em i c r o m e c h a n i c a lr e s p o n s eo f s e l f - r e p a i rs y s t e mb yc h a n g i n gt h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fr v e f o rt h es t u d yo f m i c r os t r u c t u r eo nt h ep e r f o r m a n c el e v e l t h i sp a p e ra i m st or e s e a r c ha n db u i l ds e l f - r e p a i rs y s t e mf o rt h es i m u l a t i o no ft h e m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp r e d i c t i o n ，m i c r o c r a c k i n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o ns i m u l a t i o n ，c r a c kr e p a i ra n d r e h a b i l i t a t i o no fs t r e n g t hp r e d i c t i o np l a t f o r m t h r o u g h t h es i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lt e s t s t op r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo fi t s s e l f - h e a l i n gs y s t e m ，b a s e d o n ”m a t e r i a ls t r u c t u r ew e a k n e s s ，”t h ec o n c e p to f a s s e s s m e n to fm i c r o c r a c k sw i t h i nt h es t r u c t u r eo fm i c r o c r a c k i n i t i a t i o na n d e x p a n s i o no fs e l f - r e p a i rs y s t e mo f m i c r o s t r u c t u r ed e d u c t i o n ”v i r t u a lf a i l u r eb e h a v i o r ， 什a n dc o m b i n e dp r o c e d u r e sd e s i g na n df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u sf o rt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt ob u i l do n f o rs e l f - h e a l i n gc o m p o s i t em a t e r i a l so fm i c r o c a p s u l e sm i c r o s t r u c t u r e ，a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lm e a s u r e dg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s t r i b u t i o no fi n f o r m a t i o n ，u s i n g t h eb a l la sac o r ep a r to ft h ef i l l i n ga l g o r i t h m ，t h ep r e t r e a t m e n tb ya b a q u sf o r s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，c o m p l e t i o n o fs e l f - h e a l i n gs y s t e mr v es i m u l a t i o n ，t o a c h i e v et h ea u t o m a t e d ，p a r a m e t r i c ，s i m p l ea n de f f i c i e n tg e o m e t r i cm o d e l i n g p r e d i c t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd u r i n gt h et i m et h a tw ew r i t ep y t h o ns c r i p t s t oa c h i e v e ：t h ed i f f e r e n tr v es t r u c t u r eo fs e l f - h e a l i n gm e s h i n g ；d i f f e r e n tc o n d i t i o n s a n dd i f f e r e n ta n a l y s i so ft h ea u t o m a t i cm o d e l i n g ；a u t o m a t i c a l l ys u b m i tc a l c u l a t i o n st o a s s e s st h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c sb a s e do nt h ea n a l y s i s p e r f o r m a n c e a l s oc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lm i c r o - s t r u c t u r eo ft h en u m e r i c a l s o l u t i o no fm e c h a n i c st o i d e n t i f y m a t e r i a l s t r u c t u r ew e a k n e s s ”，b yw r i t i n ga n e x t e r n a lp r o g r a m ，t h eu s eo fd a m a g ef a i l u r em o d e l ，m i c r o c r a c k sw i t h i nt h es y s t e m i i l 一 硕士学位论文 s e l f - r e p a i ro fc r a c ki n i t i a t i o n ，e x p a n s i o n ，a n dd e d u c i n gt h em i c r o s t r u c t u r e v i r t u a l f a i l u r eb e h a v i o r ”w ec o m p l e t e dt h es e l f - h e a l i n gs y s t e ms i m u l a t i o no fm i c r o - c r a c k s i n i t i a t i o na n de x p a n s i o nu n d e rt h eu n i a x i a lt e n s i o nl o a da n dt h e r m a ll o a d w h i l e t a k i n ga d v a n t a g eo ft h er e s u l to ft h ee x p a n s i o no fm i c r o - c r a c k s ，a c c o r d i n gt ot h e s p e c i f i e dr e p a i rr a t e ，t h ef a i l u r et og i v et h er e s t o r e dp a r t so ft h em a t e r i a l ，r e - jo i n e dt h e g e o m e t r i cm o d e l ，t oa c h i e v e v i r t u a lc r a c kr e p a i r ”，a n dt h er e p a i rs t r e n g t ho ft h e p r e d i c t i o n ，a s s e s s m e n to ft h es t r e n g t ho ft h em a t e r i a lt or e p a i rp a r t sp e r c e n t a g eo ft h e o r i g i n a ls t r e n g t h f i n a l l y ，r e s e a r c hn e e d s ，i no r d e rt oa v o i dal a r g en u m b e ro ff i n i t ee l e m e n t m o d e l i n go fc o m p l i c a t e do p e r a t i o n ，w ew i l ls t u d yt h ep r e d i c t i o nm e t h o du s e di nt h e p r o c e s s ，i m p l e m e n t a t i o n ，i n t e g r a t i o nt h r o u g ht h ep r o g r a md e s i g n ，e a s yt os e l f - h e a l i n g s y s t e mi nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rf u n c t i o n a l i t y k e y w o r d s ：d i g i t a lm a t e r i a l ；m i c r o c a p s u l e ss e l f - h e a l i n gc o m p o s i t e sm a t e r i a l ： m a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；v i r t u a lf a i l u r e ；a b a q u ss e c o n d a r y d e v e l o p m e n t - i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 当前，科学技术的飞速发展，对现代化机械设备提出了更新、更高的要求。 在航空航天、交通运输、军工、建筑、体育等领域，机械设备及部件都在朝着高 速度、大功率、轻重量、长寿命的方向发展，要求的工作环境也越来越恶劣，使 得机械设备的安全性问题变得更加突出和重要。 同时复合材料的应用领域不断扩大，但由于其自身的特点，在制造加工成型 以及使用过程中，其表面和内部不可避免地出现各类损伤，尤其是材料内部会产 生微裂纹。这种微裂纹的出现和扩展将引起材料整体性能的下降，导致构件过早 失效，因此消除或抑制材料内部微裂纹扩展对维护材料的正常使用至关重要。自 修复复合材料是模仿生物的自愈合，具有裂纹自我修补功能的智能材料之一，它 具有修补基体微裂纹和预防潜在危害的作用，可以延长材料的使用寿命，增加构 件的安全系数i l 】。 智能材料自2 0 世纪9 0 年代以来已成为材料科学研究的热点，它模仿生物 材料，具有感知和激励的功能。在诸多的智能材料中，基于断裂力学、损伤力学 和复合材料工艺学的自修复材料模仿生物材料的自愈合过程，实现了裂纹的自我 修补，从而提高了零件和设备的安全性。 有限元的飞速发展，为材料微观组织结构的有限元分析提供了强有力的支持。 对材料的微观组织结构进行有限元模拟，进而预测材料的宏观力学及物理性能， 在国外已经是一种通用的做法。 1 1 课题来源 近年来，性能优异的环氧树脂材料被广泛应用，但由于其较脆的原因而在使 用过程中不可避免地会产生裂纹从而导致材料的失效，所以对裂纹的早期修复， 特别是微裂纹的自修复日益受到各国学者的重视。自修复理念是受到自然界中生 物可以自己分泌物质使受伤部位愈合的现象的启发而产生的。人们模仿其自愈合 的机能，通过在聚合物中复合含有修复剂的微胶囊或液芯纤维，从而在聚合物内 部形成智能型仿生自愈合神经网络系统。当材料出现裂纹时，修复剂流出渗入裂 缝，从而修复受损区域。 不饱和聚酯复合材料具有优异的力学性能、良好的耐热性和抗疲劳性等特点， 可用于航天航空、电子和建筑等领域。高分子材料在使用过程中会出现裂纹；受 到冲击、加载和高温等环境条件影响，会使复合材料内部损伤如果这些损伤不 微胶囊自修复体系的数值模拟 能及时发现并得到有效修补，复合材料的可靠性和使用性能就会下降。复合材料 自修复技术为实现材料内部损伤修复提供了理想途径。与传统修复技术相比，自 修复技术具有相对容易、成本低廉和不依靠外界操作等优势。近年来，微胶囊材 料的使用已引起研究者的广泛关注。包覆有液态修复剂的微胶囊与树脂基复合材 料的复合，不仅可以增加树脂基复合材料的韧性，还可实现树脂基复合材料的自 修复功能【2 】。微胶囊是一种“核壳“结构的微小粒子，利用囊芯性质，实现复合材 料设计的功能。 2 0 世纪7 0 年代中期以来，随着计算机运行速度的提高，内外存容量扩大和 图形设备的发展，以及软件技术的进步，计算机模拟技术正以其高效率、低成本 的优势，成为现代科研、设计与制造过程中不可缺少的技术手段。通过计算机模 拟的手段来实现对现代先进材料的设计、制备以及性能预测，已成为国内外较普 遍的研究方式。 随着科学技术的飞速发展，现代机械设备，不论是航天航空器，还是地面交 通运输机械和其它工业设备，都在朝着高速度、大功率、轻重量、恶劣工作环境 和长寿命的方向发展。使用寿命的增长、颏材料的使用和由于计算精度的提高而 选择设计强度储备的降低，使得机械设备的安全性设计问题变得更加突出和重要。 长期以来许多专家和学者在为结构安全性设计提供理论基础的断裂力学和损伤力 学领域完成了大量的研究工作，在解决工程结构的断裂问题上，取得了突出的进 展。智能材料是2 0 世纪9 0 年代成为研究热点的新型材料，它模仿生物材料的功 能，可以感知和激励。自修复材料是模仿生物材料的自愈合，具有裂纹自我修补 功能的智能材料之一。科研工作者已经制造出实验室规模的自修复材料，并取得 了初步的进展。自修复智能复合材料对基体微裂纹的修补为预防潜在的结构断裂 危害提供了一种新方法【3 】。 微胶囊自修复技术在世界发达国家武器装备上有着广泛的应用。高分子聚合 材料( 如环氧树脂等) 及其复合材料( 如碳纤维增强的树脂基复合材料等) 在复杂和 严酷的服役环境、或者在长时间的时效后，会出现局部范围内的基体材料多处开 裂、孔泄露、增强纤维与基体之间界面剥离以及叠层之间脱层等材料失效现象， 在不同的受载条件或外部打击下也同样会出现材料的局部失效问题。为此，武器 装备或关键工业设备上局部材料的“在役原位自修复( i n s e r v i c ea n di n s i t u s e l f - h e a l i n g ) 技术”成为各国争相开发和使用的技术【1 9 】。“微胶囊在役原位自修复技 术”作为主要的自修复技术是本文将要讨论的重点。本文的讨论将限于微胶囊在役 原位自修复的物理过程( 如开裂行为、修复程度) 与自修复前后材料的力学性能， 并不涉及原位修复过程中的化学反应程度与修复效率。 一2 一 硕士学位论文 1 2 研究目的及意义 现代材料设计及制备，对材料性能的要求愈来愈高，对寿命估测准确程度的 要求也日益严格；个别设备或零部件的服役条件越来越苛刻。着手建立一套基于 材料细观尺度层次的性能预测并以此控制材料宏观性能，应该是解决这一问题的 一个有效途径。能够建立材料的微观组织结构因素与性能之间的关系模型，用以 指导工程实践，并能够最终进行微观破坏行为预测，指导材料的微、细观设计， 是我们追求的最终目标。有限元方法就是其中一种非常有效的方法。 当前，国内外许多学者以计算机仿真与数值计算为手段将计算机技术成功运 用于材料科学，以弥补传统材料设计与制备的不足。通过各种算法设计实现材料 微观组织结构的数字化仿真与数值化模拟是利用计算机技术研究材料科学的主要 趋势。但是，国内的许多研究只注重某一种材料或某一种微观组织结构在进行数 值计算过程中的微细观机理，而忽视计算机技术在材料科学应用中的基础性平台 建设。 大量的实验和研究也表明：复合材料的细观结构直接影响其宏观性能。因此 对复合材料的力学性能的分析需要客观地刻画出它的细观几何结构，然后对不同 的细观结构分别进行力学分析，才能得出细观结构和宏观性能之间的关系。而对 复合材料细观结构的刻画首先要通过一个具有代表性的体元来代替整个的复合材 料作为研究对象。 本研究以“数字材料”技术为先导，用于表征微胶囊自修复复合材料的微结构； 以“数值材料”技术为核心，用于实现材料微结构在各种工况条件下的数值模拟与 虚拟失效分析，从而在理论与方法层面上，解决自修复体系材料在“微结构组成物 几何结构材料结构弱点特性一微裂纹扩展行为材料损伤后性能微结构失效状态” 关系中属于基础性的、具有某种共性的、带有普遍指导意义的基本规律问题，开 发一套适用于材料科学研究的材料微观组织结构数字化、数值化的软件平台，最 终创建能够用于实现材料微结构的“性能导向型”设计与基于有限元方法进行数值 模拟的数据库系统。 微胶囊在役原位自修复技术在实际应用中也存在着自修复体系的设计优化问 题，存在着服役材料自修复程度问题，存在着如何预测自修复全过程以及修复后 材料性能的评估问题。解决这些问题仅靠材料结构实验并不能完全奏效。国外的 发展趋势是采用数字化、数值化、虚拟化、可视化技术，建立“微胶囊在役原位自 修复体系的计算机模拟”平台【1 9 1 。 “微胶囊在役原位自修复体系的计算机模拟”平台的建设，将使使用单位装备 一套完整的微胶囊自修复过程的可视化仿真、模拟与计算平台，为设计优化材料 的自修复体系、预测装备自修复程度与材料修复效果提供技术支撑与决策依据。 微胶囊自修复体系的数值模拟 1 3 国内外研究现状 自修复材料的前期研究，大多是利用复合材料制备工艺在基体材料中分布由 许多细小的空心纤维管道组成的网络，管中装有可流动的修复剂。在外界环境作 用下，一旦材料内产生裂纹，空心纤维随即断裂，修复剂流淌到开裂处，由化学 作用自动实现裂纹粘合，从而抑制裂纹的继续扩展。显然，这种研究思路是对动 物本体材料中血管系统的最直观、最简单的摸仿。这种材料在制造工艺上受到了 一定的限制：当前的科学技术可以批量生产空心纤维但不能方便地制造类似于动 物血管系统的空心纤维连成的网络。要制造一个空心纤维网络，在其内部充满修 复剂并保持一定的内压以便破裂时能使修复剂流出，需要十分复杂的手工制备工 艺和较复杂的压力维持系统。因此，到目前为止，对这类材料的研究都还停留在 实验室阶段，难以进入工业应用。 图1 1 空心纤维自修复材科 最早的自修复系统是对动物血管网络的简单模拟，例如：1 9 9 4 年，美国i l l i n o i s 大学的c a r o l y nd r y 将空心玻璃纤维埋入混凝土中，纤维内注入缩醛高分子溶液 作为粘接剂。在外力作用下基体开裂时，空心纤维断裂，粘接荆流出并进入裂纹 面，固化后把裂纹面粘接在一起，阻止了裂纹的继续扩展。根据已作的试验可知， 玻璃纤维管中的内压力影响混凝土结构裂缝自愈合的质量。当管内压力加大到 0 2 3 m p a 以上时，其中的粘接剂才能迅速流到裂缝破损处，使9 5 以上的裂缝都 能得到粘合。 微胶囊自修复复合材料是s c o t tw h i t e 等发明的一种在材料中分别混入含有 粘结剂和固化剂微型胶囊的复合材料【4 】。当材料中出现裂纹时，胶囊受力破裂， 释放出的粘结剂与固化剂通过毛细作用流到损伤区，接触后发生聚合反应，粘结 裂纹面，阻止裂纹进一步扩展，从而实现材料的自修复功能。目前，该材料的性 能及修复效果已有相关研究。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者 将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土材料中，使混凝土裂缝重新愈合。m r ， k e s s l e r 等人的研究认为微胶囊自修复复合材料对编织复合材料同样具有自修复 硕士学位论文 效果。与空心纤维自愈合系统相比，微胶囊制造技术和把微胶囊复合到基体材料 的技术都已工业化，因而微胶囊自修复复台材料更具有应用价值。 图1 2 微胶囊自修复修复示意图 自2 0 0 1 年w h i t e 等人在n a t u r e 杂志首次发表针对高分子材料的微肢囊自修 复概念与技术以来，“自修复体系”技术在国外发达国家军工领域获得广泛应用。 目前，微胶囊内修复剂释放技术包括：囊壁的物理性破裂、囊壁融化、修复剂经 囊壁扩散、o s r a o t i e ( 渗透) 压力等。应用的对象主要是由高分子材料涂层保护的各 种零部件。应用的环境包括：机械冲击环境、热变变环境、热冲击环境、湿热环 境、腐蚀环境、磨损环境、疲劳载荷环境、辐射环境等。 此外，k e s s l e r 等研究了微胶囊自修复复合材料的愈合动力学，e n b r o w n 等对微胶囊的断裂机理和微胶囊对基体材料性能的影响进行了研究1 5 6 j 。 在国内，梁大开等在空心光纤智能复合材料结构的自修复网络中，采用了e 4 4 型双组分环氧树脂胶作为修补材料，分别将环氧树脂和固化剂装入不同的空心光 纤，制成了液芯光纤。张妃二等在混凝土中分层布置注满缩醛高分子溶液的大直 径空心光纤，实现了混凝土裂缝的自修复。在自修复网络系统中，控制空心纤维 的内压力对于裂缝自修复的质量十分重要。由于空心纤维网络系统制造工艺上的 技术难点，很难实现自动化锚备，目前它难于进入工业应用1 7 声，j 。 目前对聚合物基复合材料微胶囊自修复技术的研究除了美国的i l l i n o i s 大学 投入较多外，其他国家及我国的研究是相当薄弱，而对于微胶囊在复合材料自修 复领域中的应用研究在我国很少有报道。经过前人对于微胶囊在自修复聚合物基 复合材料应用方面的探讨研究，利用微胶囊埋植技术制备出自修复聚合物基复合 材料是可能的，研究用于自修复聚合物基复合材料的微胶囊的制备有着重大的实 际意义，材料中微裂纹的愈合将延长复合材料的使用寿命，降低维护与维修成本， 填充微裂纹也将减轻环境的有害影响【1 1 , 1 2 。 自修复功能的实现主要受以下因素的影响：内部损伤的原因，例如导致材料 开裂的动载荷，含粘结剂的微胶囊特性和微胶囊内部粘结剂的释放机理等。微胶 微胶囊自修复体系的数值模拟 囊自修复复合材料的研究涉及材料学、力学、化学和乳液等多学科领域。利用微 胶囊进行聚合物材料的自修复具有很大的潜力，且尚有许多问题有待于进一步研 究：微胶囊囊壁的破裂机理，微胶囊的机械性能及其耐久性，微胶囊在基体中的 分布特性，固化剂和粘结剂的稳定性，粘结剂的扩散方式和粘结强度，材料多次 自修复的可行性等。 1 4 主要研究内容 本研究的具体工作是开发材料微观组织结构仿真软件构造出三维复合材料微 结构，结合p y t h o n 语言，对商业有限元软件a b a q u s 的前处理进行二次开发， 并最终开发外部平台软件。 为了实现微胶囊自修复模拟平台，本课题的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 微胶囊自修复体系的数字化与数值化仿真。采用计算机仿真技术，对不同 微胶囊粒径，不同体积份额和不同壁厚的自修复体系进行材料代表性体积单元 ( r v e ) 的几何仿真，并在商业化有限元软件a b a q u s 环境下开发出自修复体系 r v e 专用的数值计算网格划分技术。同时对r v e 的加载工况进行仿真，即根据 受载情况，实现边界条件与载荷工况的自动定义。 ( 2 ) 微胶囊自修复体系的力学性能预测。在自修复体系内未出现微裂纹之前， 需要预测的力学性能目标为：微胶囊粒径大小，体积份额，囊壁厚变化对自修复 体系拉伸模量，剪切模量，“应力应变”响应，抗拉强度，抗压强度，断裂韧性( k i ， k n ) ，冲击韧性a k 的影响程度预测。 ( 3 ) 微裂纹在微胶囊自修复体系内的扩展行为的计算机模拟。根据材料微结构 力学计算的数值解，识别“材料结构弱点”，评估微裂纹( 群) 的启裂，扩展，推演“微结 构虚拟失效”行为。即在单向拉伸载荷和热交变载荷的作用下，研究微胶囊大小， 体积份额，囊壁厚对微裂纹的启裂和扩展行为的模拟。 ( 4 ) 微胶囊自修复体系内微裂纹的修复及修复强度预测。在完成微裂纹的扩展 模拟后，根据自修体系的修复率进行裂纹修复模拟，预测修复部位材料的力学性 能，评估修复部位材料强度能够达到原始强度的百分率。 ( 5 ) 微胶囊自修复体系热疲劳寿命的预测。 完成以上前期研究后，结合商业化有限元软件a b a q u s 进行外部平台的开 发，实现上述内容的参数化，自动化运行，研究微胶囊不同的粒径大小，体积份 额，囊壁厚对自修复体系的影响程度，探寻最佳的几何组成方式，设计最优的自 修体系材料。 硕士学位论文 第2 章自修复体系微观结构仿真 多元多相异质体材料的微观组织结构是由化学意义上的组分、几何意义上的 结构、力学意义上的界面、拓扑学意义上的形貌以及物理与冶金意义上的缺陷所 构成的，其微观组织结构的特征可以概括为：多组分、多界面、多层次；跨尺度、 非连续、异质体。从材料的细观尺度上看，与多元多相异质体材料微观组织结构组 成物密切相关的基本科学问题包括：多元多相带来的非均质问题，异质性导致的 各类响应的非均匀分布问题，非均质与非均匀引起的各向异性问题与几何效应问 题等。对材料进行细观乃至微观尺度的研究，不仅可以准确地预测、评估材料性能 与失效行为，而且可以为新型先进材料的设计与制备提供理论支持。 微胶囊自修复复合材料微结构属于多元多相异质体材料微结构的范畴，具有 其微观组织结构的特点。在进行多元多相异质体材料的性能设计与材料微结构失 效行为预测时，不仅需要求得模型材料的平均细观力学响应，而且也需要求得当 地微结构的局部细观力学响应。 复合材料微结构细观力学响应的数值计算建立在多元多相材料微观组织结构 的“代表性体积单元“( r v e ) 技术上。微观组织结构的“代表性体积单元”定义在材料 的细观尺度上。“代表性体积单元“其体积尺寸是最小的，但体积单元内却包含了 足够多微观组织结构组成物的几何信息、晶体学取向信息、分布信息与相场信息， 并能在统计学意义上( 统计平均性质) 代表材料微观组织结构的基本特征由“代表 性体积单元“组成的材料称为统计均匀材料，统计均匀材料受到均匀边界条件的作 用，而介质内的场变量是统计均匀场。 我们在研究自修复体系时，就是对其代表性体积单元( r v e ) 进行研究。由于 需要研究r v e 中微胶囊的粒径分布，体积份额和囊壁厚变化对其各项性能，裂纹 扩展过程，强度修复率及热疲劳寿命的影响，因此需对r v e 几何模型进行参数化 建模和网格划分。现阶段我们已完成了相应仿真软件的开发。 2 1 自修复体系微结构几何特征 微胶囊自修复体系主要由主体环氧树脂和含修复剂的微胶囊构成。其中，主 体主要为环氧树脂( e 5 l 环氧树脂e p o x yr e s i n ) ，该树脂在催化型固化剂咪唑作用 下固化，固化后催化剂仍保持催化活性，形成环氧树脂基体中均匀分布具有催化 活性活化中心。囊壁材料为脲醛树j 旨( u r e a f o m a l d e h y d er e s i n ) ，芯材为7 1 1 环氧 树脂，呈液态。 模拟 图2 1 微胶囊自修复材料几何形貌 2 2 自修复体系微结构仿真 根据自修复体系微结构的几何特征，在进行自修复体系r v e 几何建模时，我 们将微胶囊看作是半径不同且具有一定厚度的球壳，认为微胶囊之间无互穿即球 壳之间不重叠。需解决以下两个问题： ( 1 ) 确定微胶囊在空间的位置关系。这里通过采用球填充算法来控制微胶囊在 空间中的位置关系【2 卜2 5 1 。球填充就是在指定空间内进行填充不同或相同半径的球 体，使得球与球的空间位置互不重叠，该算法可获得较高的填充率( o 6 8 ) 。 ( 2 ) 确定微胶囊的粒径分布，通过构造正态分布的随机数来创建正态分布粒径 的球体。 2 2 1 球填充算法简介 目前球填充算法主要有集合重排，前缘法，优化法。各算法各有优势，一般 情况下我们需要产生相邻球数为5 6 的条件，采用集合重排法较好。各算法比较 如表2 1 ： 表2 1 球填充算法比较 硕士学位论文 2 2 1 1 集合重排法 集合重排法采用松弛算法来实现。一般松弛算法的过程为：在较小的立方体 区域内分布重叠率较大的球，通过推斥松弛不断减小球与球的重叠率，此时立方 体区域也随之扩大，当球与球没有重叠时，填充完成。 对于以上过程，存在着两个缺陷： ( 1 ) 在推斥松弛过程中，由于边界固定，球可能溢出边界。 ( 2 ) 随着每次推斥松弛，容器体积不断增大，这在应用上受到限制。 在实际问题中通常需要在规定区域内进行球填充，这里我们采取添加边界球 和控制体积分数来避免这两种缺陷的产生。 2 212 边界控制 为了控制容器边界，对给定的容器，我们在其边界面上额外添加一层边界球， 如图2 2 所示，保证球与边界相切，在松弛算法过程中，边界球不参与推斥松弛， 但影响内部球的推斥松弛，因此这些边界球是固定不变的。这样在推斥松弛过程 中，内部球与外部球不重叠，保证了内部球在边界以内。 图2 2 边界球与容器关系 关于边界球的坐标，对简单容器可通过简单计算得出，对于复杂容器，则需 使用外部c a d 软件来获取。而边界球的重叠率，通过相关文献可知，在重叠率 为5 0 时，即可以保证较高的填充率，在效率上也能接受。 2 2 1 2 推斥松弛过程 推斥松弛是集合重排算法的核心，推斥也就是球与球之间的相互作用。首先 研究两球之间的推斥作用，如图2 3 所示，j 球球心矢量尺，i 球球心矢量羁，通 过j 球对i 的推斥作用，推斥后i 球的球心矢量变为： 一9 一 l 微胶囊自修复体系的数值模拟 如2 州r r j ) 字 d 图2 3 球推斥算法图示 其次所有与i 球重叠的球对i 球的都有推斥作用，其i 球球心矢量变为： 名：一1 窆嘞 吗 j 川 通过循环对所有内部球进行推斥之后，内部球的最大重叠率将有所减小，此 过程称为一次松弛过程。不断进行松弛过程直到内部球的最大重叠达到可接受程 度，则填充过程完成。 2 213 集合重排松弛算法 对松弛算法添加边界球处理，并进行集合重排的步骤如下： 步骤1 ：根据填充密度，容器体积，平均半径计算出填充球的个数。 刀：坚 4 7 r 。 式中：一体积分数，矿一容器体积，r 一平均半径 步骤2 ：根据平均半径及边界形状生成边界球。 步骤3 ：按一定分布赋予球半径并在容器内随机分布球的空间位置。 步骤4 ：对一个球进行相邻重叠检测。 步骤5 ：对该球进行“推斥”作用，得出新的球心位置，并移动该球。 步骤6 ：循环4 5 直到球与球的重叠率满足要求。 重叠率：肌d l r = 2 二塑 2 1 0 一时退出推斥算法 r l + r t 1 0 一 硕士学位论文 图2 4 任意形状的球填充松弛算法的三个主要过程 2 2 2 自修复体系微结构建模 解决了以上两个问题后，以上述5 项参数进行r v e 几何建模。其过程如下： 步骤l ：根据微胶囊平均粒径尹计算出球体的平均体积矿，并依据微胶囊体积 份额p 和r v e 总体积v ，确定球体个数l l 。其计算公式如下： 平均体积：矿：兰：! ： 3 球体个数：刀： - ， 步骤2 ：根据平均粒径( 尹= ) 和分布范围o r 构造出n 个正态分布n ( g ，仃2 ) 的球 体半径值。正态分布随机数通过大数定理产生，其构造方法为：随机产生1 2 个 o - 1 之间均匀分布的随机数( n a ，n 2 ，啊：) 然后应用大数定理构造符合正态分布的随 机数，即： ，= ( 甩l + 甩2 + + n a 2 6 ) x o + z 步骤3 ：依次产生1 1 个球体半径值作为权值点集，进行球填充算法构造，使得 球与球之间互不重叠。球填充采用松弛算法来实现。并在构造完成时，将空间中 球的坐标及半径作为结果文件输出，用于r v e 的数据文件。 步骤4 ：在商业有限元软件a b a q u s 中，根据囊壁厚t 对单个微胶囊即球壳 进行建模。对第i 个球体，首先利用旋转特征产生半径为的实体球，然后根据 囊壁厚t 产生半径为( t ) 球体，最后使用布尔差集操作进行剪切得到微胶囊结构。 如图2 5 ： 微胶囊自修复体系的数值模拟 图2 5 微胶囊结构 根据第3 步产生的r v e 数据文件中的半径值构造出n 个不同半径的微胶囊球 - - 冗。 步骤5 ：构造自修复体系r v e 的结构。利用r v e 数据文件中每个球的空间坐 标对每个实体球和球壳分别进行空间平移组装，得到实体球集和球壳集，球壳集 即为微胶囊的整体结构。将球集与r v e 整体尺寸大小的实体进行布尔差集操作剪 切出基体结构，如图2 6 。 匈 渗端 a ) r v e 尺寸大小实体b ) 实体球集 图2 6 基体结构构造示意 在完成了基体与微胶囊整体结构的构造后，将基 作得到自修复体系r v e 几何模型，如图2 7 。 + 一 c ) 剪切出的基体结构 体与微胶囊整体结构合并操 a ) 微胶囊整体结构b ) 基体结构c ) r v e 结构 图2 7 自修复体系r v e 结构 2 3 自修复体系微结构网格技术 在完成自修复体系r v e 几何模型的构造后，要对r v e 进行数值计算，还需 对几何模型划分成有效的网格。 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要 的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建 立正确、合理的有限元模型，一般遵循以下基本原则。 ( 1 ) 网格数量 硕士学位论文 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格 数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数 量时应权衡两个因数综合考虑。 ( 2 ) 网格疏密 网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据 的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映 数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位， 为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同 的网格划分形式。网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不 必要的，也是不经济的。划分疏密不同的网格主要用于应力分析( 包括静应力和动 应力) ，而计算固有特性时则趋于采用较均匀的钢格形式。这是因为固有频率