一种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法
【专利摘要】本发明属于复合材料塑性成形领域，具体为一种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法。该方法包括：1)对颗粒增强铝基复合材料的微观结构进行几何重构；2)用面向对象有限元技术对步骤1)中建立的微观结构几何模型划分网格，对模型施加约束；3)在有限元软件中将步骤2）中的网格赋予材料属性，耦合基体损伤、颗粒断裂和界面脱粘三种损伤模型；4)在有限元模拟软件中模拟塑性成形性测试实验过程，得到材料的塑性成形性指标。本发明实现了颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的准确虚拟预测，可以降低复合材料塑性成形性实验测试成本，操作简单，方便技术人员使用。
【专利说明】一种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料塑性成形领域，具体为一种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法。
【背景技术】
[0002]颗粒增强铝基复合材料是以铝合金为基体、一种或几种金属或非金属颗粒为增强相，采用粉末冶金、搅拌铸造、喷射沉积和塑性加工等成型加工方法制备的一类高性能的复合材料。颗粒增强铝基复合材料作为一种性能优异的新型结构材料，具有高耐磨性、高比强度、高比刚度、高热导率和低热膨胀系数的优点。因此，自20世纪80年代以来，颗粒增强铝基复合材料得到了迅速发展，并在航空航天、先进武器和汽车等领域展现了广阔的应用前
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[0003]塑性加工可显著改善颗粒增强复合材料的微观组织、提高复合材料的力学性能，是制备颗粒增强铝基复合材料的常用手段之一。然而，由于，颗粒增强复合材料中加入了一定体积分数的增强相，其塑性与基体合金相比要下降许多，如果加工工艺不当，容易导致材料开裂。因此，研究颗粒增强复合材料的塑性成形性，选择合适的成形工艺，是颗粒增强复合材料研究中的关键问题之一。
[0004]目前，国内外学者对复合材料塑性成形性的研究主要采用实验测试的方法，然而颗粒增强复合材料中的颗粒种类、尺寸和体积分数都会影响复合材料的塑性成形性，每一种成分的颗粒增强复合材料的塑性成形性都需要单独测试，实验成本高。在复合材料塑性成形性数值模拟方面，已有的研究多采用简化的单胞模型，并且在模型中只考虑一种或两种损伤机制，模拟结果与实验结果有一`定差距。因此，有必要建立综合考虑复合材料真实微观结构和复合材料中所有损伤机制的有限元模型，从而实现对颗粒增强复合材料塑性成形性的虚拟测试。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，实现颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的准确预测，并将此方法应用于复合材料镦粗、杯突、拉深等各种塑性成形性能测试实验过程的虚拟测试。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，包括如下步骤:
[0008]( I)对颗粒增强铝基复合材料的微观结构进行几何重构；
[0009](2)用面向对象有限元技术对步骤I)中建立的微观结构几何模型划分网格，对模型施加约束；
[0010](3)在有限元模拟软件中将步骤2)中的网格赋予材料属性，耦合基体损伤、颗粒断裂和界面脱粘三种损伤模型；
[0011](4)在有限元软件中模拟塑性成形性测试实验过程，得到材料的塑性成形性指标。[0012]所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，在步骤2)中，根据颗粒增强复合材料的微观结构划分网格，增强颗粒与基体界面处的网格节点完全重合。
[0013]所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，在步骤3)中，同时耦合颗粒增强铝基复合材料中三种损伤断裂形式。
[0014]所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，在步骤I)中，选取(30?100) μ mX (30?100) μ m的区域进行重构。
[0015]所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，在步骤2)中，使用四节点双线性四边形平面应变缩减积分单元划分网格，平均网格边长为0.1?0.5 μ m，在增强颗粒与基体的界面处进行网格细化，最小网格边长为0.05?0.0Sym0
[0016]本发明的优点及有益效果是:
[0017]1、由于影响颗粒增强复合材料塑性成形性的因素较多，不同颗粒尺寸、数量、分布、基体材料性质和制备手段的颗粒增强复合材料的塑性成形性能差别很大，实验测试其塑性成形性成本较高，因此采用有限元法对颗粒增强复合材料的塑性成形性进行虚拟测试模拟，以便减少实验测试的种类和数量。
[0018]2、本发明综合考虑基体损伤、颗粒断裂、界面脱粘和微观结构对颗粒增强复合材料塑性成形性的影响，建立了较为完善的颗粒增强复合材料细观有限元模型，实现颗粒增强复合材料塑性成形性的准确虚拟预测。
[0019]3、本发明方法操作简单，方便技术人员使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法的流程示意图。
[0021]图2是根据本发明建立的颗粒增强铝基复合材料微观结构重构的几何模型。
[0022]图3是对微观结构划分网格、施加约束、赋予材料属性和耦合损伤模型后的有限元模型示意图。
[0023]图4是颗粒增强铝基复合材料塑性成形性虚拟测试的模拟结果。
【具体实施方式】
[0024]本发明颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，包括如下步骤:
[0025]( I)对颗粒增强铝基复合材料的微观结构进行几何重构；
[0026](2)用面向对象有限元技术对步骤I)中建立的微观结构几何模型划分网格，对模型施加约束；
[0027](3)在有限元模拟软件中将步骤2)中的网格赋予材料属性、耦合基体损伤、颗粒断裂和界面脱粘三种损伤模型；
[0028](4)在有限元模拟软件中模拟塑性成形性测试实验过程，得到材料的塑性成形性指标。
[0029]以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0030]实施例
[0031 ] 本实施例中，选取20%(体积分数)SiCp/2009Al复合材料作为实施对象，在ABAQUS有限元软件中模拟了复合材料拉伸成形性虚拟测试过程。[0032]如图1所示，本发明的复合材料塑性成形性虚拟测试方法，主要包括以下步骤:
[0033](I)用X射线扫描技术对20% (体积分数)SiCp/2009Al复合材料的微观结构进行重构。综合考虑20% (体积分数)SiCp/2009Al复合材料的典型周期性结构特征和提高模型计算效率，选取50 μ mX 50 μ m的区域进行重构，重构后的微观结构如图2所示。
[0034](2)采用面向对象有限元技术对图2所示的微观结构进行网格划分。使用四节点双线性四边形平面应变缩减积分单元(CPE4R)划分网格，模型网格数为50000个，平均网格边长为0.2 μ m，在增强颗粒与基体的界面处进行网格细化，最小网格边长为0.07 μ m。划分网格后的模型如图3所示。
[0035]本发明中，面向对象有限元技术参见文献:Chawla N, Patel B V, KoopmanMj Chawla K K，Saha R，Patterson B R，Fuller E R，Langer S A.Microstructure-basedsimulation of thermomechanical behavior of composite materials byobject-oriented finite element analysis.Mater Charact.2002，49:395—407。
[0036](3)在垂直方向对模型施加lmm/min的拉伸速率，对SiCp和2009A1基体分别赋予对应的材料属性，具体如表1所示。输入2009A1的塑性应力应变数据中，应力:340，373，416，454 和 484MPa ;应变:0，0.02，0.03，0.04，0.05。
[0037]表1材料属性
[0038]
【权利要求】
1.一种颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)对颗粒增强铝基复合材料的微观结构进行几何重构； (2)用面向对象有限元技术对步骤I)中建立的微观结构几何模型划分网格，对模型施加约束； (3)在有限元模拟软件中将步骤2)中的网格赋予材料属性，耦合基体损伤、颗粒断裂和界面脱粘三种损伤模型； (4)在有限元软件中模拟塑性成形性测试实验过程，得到材料的塑性成形性指标。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，其特征在于，在步骤2)中，根据颗粒增强复合材料的微观结构划分网格，增强颗粒与基体界面处的网格节点完全重合。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，其特征在于，在步骤3)中，同时耦合颗粒增强铝基复合材料中三种损伤断裂形式。
4.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，其特征在于，在步骤I)中，选取(30?100) μπιΧ (30?100) μ m的区域进行重构。
5.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料塑性成形性的虚拟测试方法，其特征在于，在步骤2)中，使用四节点双线性四边形平面应变缩减积分单元划分网格，平均网格边长为0.1?0.5 μ m，在增强颗粒与基体的界面处进行网格细化，最小网格边长为0.05?.0.08 μ m。
【文档编号】C22C21/00GK103593541SQ201310635361
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】程明, 阚盈, 宋鸿武, 张士宏 申请人:中国科学院金属研究所