6061Al_SiC层合复合材料在交变温度场作用下热应力的有限元分析.pdf

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1、第 18 卷 第 4 期Vo 1.18 No.4材料科学与工程Materials Science&Engineering总第72期Dec.2000收稿日期:1999-12-30;作者简介:苗雨阳(1968),女,辽宁大连人,硕士、讲师,研究塑性成型.文章编号:1004-793x(2000)04-0066-046061Al/SiC层合复合材料在交变温度场作用下热应力的有限元分析苗雨阳1,马磊2,李建平1,姜华3,孙雪坤1(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁 沈阳110006;2.抚顺特殊钢有限公司齿轮钢分厂,辽宁 抚顺113001;3.沈阳炮兵学院计算机教研室,辽宁 沈阳110

2、162)【摘要】对 6061Al/SiC层合复合材料在交变温度场作用下的热应力进行数值分析。采用ANSYS 有限元分析软件中的结构单元,将金属铝视为弹塑性材料,且采用 Mises 随动强化塑性模型,同时计及温度对材料性能的影响,计算了不同温度下的残余塑性变形和热应力,并给出了205至 20交变温度场作用下的残余热应力循环曲线,数值计算结果与实验数据复合较好。本文的研究工作为该复合材料的疲劳寿命的预报提供良好的理论基础。【关键词】复合材料;残余热应力;有限元分析中图分类号:TG115文献标识码:AFinite Element Analysis of Residual ThermalStress

3、in 6061Al/SiC Laminated Composite Material underCycling Temperature LoadMIAO Yu-yang1,Li Jian-ping1,JIANG Hua3,SUN Xue-kun1(1.State Key Lab of Rolling&Automation,Northeastern University,Shenyang110006,China;2.Computer Science Section,Shenyang Artillery College,Shenyang110162,China)【Abstract】Numerica

4、l analysis for 6061Al/SiC laminated composite material under cycling tempera-ture load has been done in this paper.Structural element in ANSYS software was used,while Al was consid-ered as elastic-plastic model and Mises kinematic plastic theory was introduced.Temperature-dependent ma-terial propert

5、ies were used.The residual plastic deformation and thermal stress were calculated,and the cy-cling residual thermal stress curve form 205 to 20 temperature cycle was obtained.The analytical resultsare in good agreement with its experimental data.The research in this paper could provide good theoreti

6、calbasis to the prediction of its thermal fatigue life.【Key words】composite material;residual thermal stress;finite element analysis661前言近十年,由于航空、航天等高新技术领域的飞速发展,对复合材料的性能提出了更高的要求,而对复合材料疲劳特性和热残余应力的研究也给予了越来越多的关注 1,2,许多研究也表明,材料加工制备中的热残余应力对复合材料的性能有着非常重要的影响 35,展开该方面的研究工作具有重要的理论和实际意义。人们首先在理论上进行了复合材料热残余应力及其

7、影响的研究工作,Arsenault 等 6分析了热残余应力对金属基复合材料屈服性能的影响;Taggart等 7采用等效夹杂理论分析了热残余应力对SiC颗粒增强铝复合材料的拉伸和压缩性能的不同影响。为了更精确地分析热残余应力及其影响,数值分析方法得到了十分广泛的应用,Povirk 等 8采用有限元方法分析了热残余应力对复合材料宏观变形的影响;Davis 等9分析了热塑性变形对晶须增强复合材料拉伸性能的影响,同时利用有限元法分析了热残余应力对该材料的包辛格效应的影响。在实验方面,X-射线和中子衍射技术被广泛用于测量热残余应力,特别是 X-射线方法 10,本文的实验数据是李环等 11采用 X-射线技

8、术测得的。本文采用ANSYS有限元软件中的结构单元,选择 Mises 随动强化塑性模型,同时考虑温度对材料性能的影响,计算了 6061Al/SiC层合复合材料在205至 20交变温度场作用下的热残余应力,分析结果与实验数据复合较好。2有限元分析基本理论由联续性介质力学理论可写出虚功方程:?V0?ij?ij?dv=?V0?ui?pi?dv+A0?ui?qi?dA(1)其中:?ij=?ij-!?Tui=ui-!?T?dli而V0、A0分别为弹性体的体积和表面积,Pi、qi分别为集中载荷和分布载荷,ui、?ij、ij分别为位移、应变、应力分量,!为热膨胀系数,T 为温度,dli为单元长度。将方程(1

9、)进行等参元离散,增量法求解,有限元公式详见文献12。3有限元分析结果及讨论本文对 6061Al/SiC 层合复合材料在交变温度场作用下的热残余应力进行有限元计算,图 1 为其结构示意图,材料性能数据见表1。分析中采用 AN-SYS有限元分析软件中的八节点三维等参元结构单元,共画分 2160 个单元,2074个节点。表 1材料性能数据表材料T/E/GPa y/MPaET/GPa!(10-6)/K-16061Al205700.3451191.1426.520700.3451261.3423-20700.3451391.4022-60700.3451571.4920.5-112700.345169

10、1.6218-196700.3451771.959.5SiCall temp4420.19elastic elastic3.3图 16061Al/SiC层合复合材料结构示意图图 2分别为由205冷却至 20时SiC层和Al层中 x热残余应力的分布情况,可见 Al 层中最大的 x为 162MPa,而实验数据为 155MPa,两者符合较好。图 3 由 205冷却至 20过程中 Al 层上据界面不同位置的 x随温度变化情况,可以较明显地看出,靠近界面的位置发生位伸屈服,靠近表面的位置发生压缩屈服,而在该层的中心部位不发生塑性变形。图 4 为 Al 层上靠近界面位置的一点在 205-20-205-20

11、交变温度场作用下 x随温度变化的循环曲线,同样可以看到,分析结果与实验数67图 26061Al/SiC 复合材料中 x热残余应力的分布情况(205冷却至20)据符合很好。我们将该点的?x、?y随交变温度场的变化情况示于图 5,可以看出,在开始由 205冷却至20时,弹性变形变化较大而没有塑性变形,之后渐渐进入塑性变形而没有太大的弹性变形继续发生;而在 20-205-20交变温度场下,弹性变形值在正负范围内交替变化,而塑性变形只在一定的正值上变化,两者差异显著,这对该材料的疲劳特性分析将有较好的指导意义。图 6 为 Al 层上靠近界面位置的一点在 205-20-205-20交变温度场作用下 x-

12、?x循环曲线,可以看出有较规则的磁滞回线,能够较好的说明金属Al的包辛格效应,同时可以给出较精确的塑性功的估计,为该材料的疲劳寿命预报提供理论基础。4结论本文采用ANSYS有限元分析软件中的结构单元,分析了 6061Al/SiC 层合复合材料在交变温度场作用下的热残余应力,得到如下结论:68图 3Al 层上据界面不同位置的 x随温度变化情况(205冷却至 20)图 4Al 层上靠近界面位置的一点 x随温度变化的循环曲线(在 205-20-205-20交变温度场作用下)图5Al 层上靠近界面位置的一点的弹、塑性应变循环变化曲线(在 205-20-205-20交变温度场作用下)1.6061Al/S

13、iC层合复合材料从 205冷却至20时,Al 层中靠近界面的位置上发生拉伸屈服,图 6Al 层上靠近界面位置的一点 x-?x循环曲线(在 205-20-205-20交变温度场作用下)靠近外表面的位置上发生压缩屈服,而在 Al 层的中心部位不发生塑性变形。2.本文分析了 6061Al/SiC 层合复合材料在205至 20交变温度场作用下Al层中的残余热应力的循环变化曲线,计算结果与实验数据复合较好,且该计算结果对于 6061Al/SiC层合复合材料的疲劳寿命的预报提供理论基础。参考文献 1 Kim C T,Lee J K,Plichta M R.,J Metall Trans,1990;21A:

14、673 2 Tsai S D,Mahuliker D,Marcus H L,Noyan I C,Co-hen J B.J.Mater Sci Eng,1981;47:145 3 Ho S,Saigal A.Proc Int Sym Light Mater.C.Po-hang,Korea,1993:783 4 Nakamura T,Suresh S.Brown University Reportno.N00014-92-J-1360/1192,1992 5 Levy A,Papazian J M.,J.Metall Trans,1990;21A:441 6 Arsenault R J,Taya

15、M.J.Acta Metall,1987;35:651 7 Tagart D.Peocessing induced stresses and their in-fluence on plastic deformation in composite materi-als,Dissertation,1989 8 Povirk G L,Needleman A,Nutt S R.,J.Mater SciEng-A,1991;132:31 9 Davis L C,Allison J E.J.Metall Trans,1993;24A:2487 10 Ho J W,Noyan C,Colen J B.J.Wear,1983;84:183 11 Li H,Li J B,Sun L Z,Li S X,Wang Z G.J.MaterSci Eng-A,1996;221:179 12 徐次达,华泊浩.固体力学有限元理论方法及程序 M .北京:水利电力出版社,1983:13069