短纤维增强镁基复合材料力学行为的有限元分析

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本文使用有限元分析软件ansys建立了短纤维增强的镁基复合材料的有限元模型,分析了纤维周围的应变应变分布分布,通过观测应力集中的位置和强度判断裂纹出现的可能性。主要分析了纤维的不同参数对相互作用区和应力饱和区的影响,以及存在不同形式的裂纹时,裂纹附近的应力应变分布。材料模型取线弹性模型。分析结果表明:短纤维的半径决定了纤维与基体间相互作用区域的大小,与纤维的长度无关,相同半径的短纤维,长度只是改变了应力饱和区域的大小。半径越大,相互作用区越大:长度越大,应力饱和区越大。但他们都不会影响饱和应力的大小。这与其他人对于长径比的研究结果相符。基体和纤维间弹性模量的匹配对相互作用区范围的影响不大,但是对相互作用区内应力的影响较大。弹性模量相差越大,作用区内的应力就越大,应力集中越强,该区域出现裂纹的概率就越大。外加载荷对作用区没有影响,只是线性的改变了各处应力的大小。纤维末端的形状对该处的应力值有很大的影响。纤维末端如果是平整的横截面,在末端棱边处会有很强烈的应力集中,使材料很早就在此处发生脱粘,出现裂纹。将末端形状改为圆球形或椭圆形,可以明显的改善该处的应力集中情况,与平整的断面相比,应力的最大值可以减小一半。这就使材料在此处出现裂纹的概率大为降低,从而在很大程度上提高材料承受载荷的能力。弯曲载荷下的应力应变分布跟拉伸载荷下的有明显的区别。它不存在饱和区和作用区,应力在纤维径向上成层状分布,整个接触面上都有几乎相同大小的剪应力存在。而且在纤维末端也不存在应力集中。含有裂纹的材料在承受载荷时,在裂纹的顶端都会有很大的应力集中,纤维的加入使裂纹的扩展变的复杂,从而提高材料的韧性。对于复合材料弹性模量的计算,发现:计算结果跟载荷的加载位置有较大关系。
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