【摘 要】
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能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础。同时,水力机械在我国能源供给中发挥着至关重要的作用。由于我国自然地理的特殊性,在全国范围内有着不同程度的水土流失,使得河流中的含沙量较高,导致水力机械过流部件易受磨损和空化等不利因素的影响,进而对水力机械过流部件的耐磨性、导热性等物理性能提出了较高要求。本文将从细观力学的角度出发,采用基于有限元的均质化方法研究周期性单胞和代表体积单元不同颗粒形态参数对复合材
【基金项目】
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四川自然科学基金（2020YFH0152）； 中国科技计划（51769035）；
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能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础。同时,水力机械在我国能源供给中发挥着至关重要的作用。由于我国自然地理的特殊性,在全国范围内有着不同程度的水土流失,使得河流中的含沙量较高,导致水力机械过流部件易受磨损和空化等不利因素的影响,进而对水力机械过流部件的耐磨性、导热性等物理性能提出了较高要求。本文将从细观力学的角度出发,采用基于有限元的均质化方法研究周期性单胞和代表体积单元不同颗粒形态参数对复合材料线弹性、导热性和弹塑性等有效性能的影响,进而评估水力机械过流表面材料的抗磨损和抗空化性能。主要的研究内容和成果如下:（1）研究颗粒形态对复合材料线弹性性能的影响:构建增强颗粒复合材料和增强基体复合材料,利用Digimat和Abaqus软件分别建立圆形基体PUC、正方形基体PUC和正方形基体RVE的物理模型,计算线弹性性能的Zero边界值、HS边界值及体积模量和剪切模量的理论值,在Linux系统下的Z-set软件中基于KUBC和PBC边界编写计算体积模量和剪切模量子程序。通过研究主要发现,当颗粒为增强体时:提高颗粒体积分数,降低颗粒长宽比可有效提高复合材料的体积模量和剪切模量,从而提高其强度和刚度,进而提高其耐磨性。当基体为增强体时:降低颗粒体积分数,提高颗粒长宽比可有效提高复合材料的体积模量和剪切模量,从而提高其强度和刚度,进而提高其耐磨性。（2）研究颗粒形态对复合材料导热性能的影响:构建导热颗粒复合材料和导热基体复合材料,利用Digimat和Abaqus软件分别建立圆形基体PUC、正方形基体PUC和正方形基体RVE的物理模型,计算Parallel模型、Series模型、Maxwell模型和有效介质理论等热分析模型,在Linux系统下的Z-set软件中基于UGT和PTBC边界编写计算导热性能子程序。通过研究主要发现,在导热颗粒复合材料中:提高颗粒体积分数,降低颗粒长宽比可以有效提高复合材料的导热性能,从而降低瞬间高温对过流表面材料的氧化作用;在导热基体复合材料中:降低颗粒体积分数,提高颗粒长宽比可以有效提高复合材料的导热性能,从而降低瞬间高温对过流表面材料的氧化作用。（3）研究颗粒形态对复合材料弹塑性性能的影响:构建理想弹塑性颗粒复合材料和理想弹塑性基体复合材料,利用Digimat和Abaqus软件分别建立圆形基体PUC、正方形基体PUC和正方形基体RVE的物理模型,在Linux系统下的Z-set软件中基于单轴单向拉伸载荷编写计算应力应变的子程序。通过研究主要发现,当颗粒为理想弹塑性颗粒时,在塑性区域,提高颗粒体积分数,降低颗粒长宽比可有效降低复合材料内部的应力,增强复合材料的弹塑性性能,从而提高水力机械过流表面材料的抗冲击能力。综上分析可知:提高水力机械过流表面材料的抗磨损和抗空化性能主要可以从以下两个方面入手:（1）当颗粒的有效性能大于基体的有效性能时,可以提高颗粒体积分数,降低颗粒长宽比,并且采用PUC构成的复合材料;（2）当基体的有效性能大于颗粒的有效性能时,可以提高颗粒长宽比,降低颗粒体积分数,并且采用PUC构成的复合材料。
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