基于RVE方法的铝基SiC复合材料的力学性能有限元分析_复合材料_航空_航天_UM_理论_材料

基于RVE方法的铝基SiC复合材料的力学性能有限元分析

SiC颗粒增强铝基复合材料是近年发展起来的新型复合材料，它具有线胀系数率低、密度低、强度高、硬度高以及导热性好的特性，是一种具有广泛应用前景的新型材料，可用于大功率率IGBT 散热基板、航空航天，在某些领域可以替代钛合金，二者的主要属性见表1。

表1 钛合金与铝基碳化硅主要材料属性对比

材料	线胀系数（/K）	密度（g/cm^3）	导热性能（W/m·K）
TC4（Ti-6Al-4V）	8.6×10^-6	4.51	7.955
AlSiC	6.5～9.5×10^-6	2.8~3.2	180～240

图1 三维RVE模型

本文基于代表体积元（representative volume element, RVE）方法，利用有限元仿真软件建立了三维SiC颗粒增强铝基复合材料分析模型，对AlSiC复合材料的拉伸、剪切行为进行了数值模拟，得出相应的应力-应变的关系，计算出复合材料的模量，这些分析为复合材料的加工与制备提供了一定的理论依据。

模型主要参数如下：

RVE模型尺寸：长L=60um，宽W=60um，高H=60um；
基体材料：Al的杨氏模量E=75 Gpa，泊松比v=0.3，屈服250Mpa；
增强材料：SiC的杨氏模量E=410Gpa，泊松比v=0.14；
增强材料体积分数：Vf=20%；
SiC颗粒直径：20um。

此处假设金属基体中的SiC颗粒大小相同，则该代表体积模型中的SiC颗粒数量由下式：

可得：颗粒数量N≈10。

SiC颗粒在模型（以模型一角为坐标原点建模）中的空间位置见表2，三维模型如图1。

表2 SiC颗粒的空间位置

序号	X	Y	Z
1	19	11	26
2	50	37	31
3	6	31	9
4	34	0	46
5	51	55	59
6	30	16	6
7	30	35	46
8	2	57	26
9	32	43	11
10	0	19	42

图2 三维RVE模型受力分析示意图

模型受力分析示意图即分析边界见图2、图3，对模型施加X方向的拉伸及XY平面的剪切，施加位移量此处取模型边长的5%，即3um。

图3 模型受力分析边界

图4 分析结果云图

通过拉伸、剪切的仿真计算结果（如图4），可以得到拉伸、剪切条件下的应力应变曲线，如图5。

图5 拉伸及剪切受力下的应力-应变曲线

通过该应力应变曲线数据可得，该20%组分的铝基SiC复合材料的杨氏模量、拉伸强度，剪切模量、剪切强度，具体数值见表3。

表3 20%组分的铝基SiC复合材料物理特性

杨氏模量/GPa	拉伸强度/MPa	剪切模量/GPa	剪切强度/MPa
93.2	270.0	24.4	126.0

由此可得，20%SiC组分下的AlSiC复合材料的弹性模量较铝的75Gpa提高至93.2Gpa，提高了约24.3%。

参考文献：

[1] Yongtao Y , HaiyingW U , Hong L ,et al.Preparation and Performance of Lightweight High-strengthAl-Si/SiC Composite Mirror[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014.

[2] Hareesha G ,Chikkanna N , Doddamani S ,et al.Effect of addition of SiC particles on theMicrostructure and Hardness of Al-SiC composite[J].Metallurgical and MaterialsEngineering, 2021, 27(1):49-56.

来源：旋算仿真工作室

Patran\Nastran算例——扳手受力变形分析

该案例是一个扳手结构，通过受力变形分析扳手施加扭矩的过程，扳手材料的弹性模量为E=30e6 psi，泊松比为μ=0.3。 1.新建数据库文件点击菜单 File >> New命令，在文件名输入wrench，单击Apply 按钮。然后单击 Preferences 菜单，打开 Analysis Preference面板，设置Analysis Code >> Nastran Analysis Type >> Structure，单击 OK 按钮。 2.创建几何模型打开菜单 File >> Import 命令，设置 Object >> Model，Source >> Parasolidxmt，在浏览文件目录选项中，选择wrench.x_t，点击Apply。 3.划分有限元网格单击 Meshin, Action >> Create，Object >> Mesh，Type >> Solid，Elem Shape >> Tet， Mesher >> Tetmesh，Topology >> Tet10，在 Input list中选择实体，勾掉 Automatic Calculation，输入0.5，单击Apply。 4.施加约束边界条件单击Loads/BCs，设置Action >> Create，Object >> Displacement，Type >> Nodal，施加约束:在 New Set Name 选项中输入约束名称为SPC，单击Input Data 按钮，约束三个方向的平动自由度Translations<T1T2 T3 >> 设置为<0 0 0 >> ，单击 OK按钮，单击 Select ApplicationRegion 按钮，Select >> Geometry，点击右侧曲面标准口，然后通过 Select GeometryEntities选项，选择扳手的内孔，单击 Add，点击OK，单击 Apply。 5.施加载荷边界条件在 Loads/BCs应用菜单选项中，单击快捷工具栏 Element Uniform中按钮，设置Action >> Create，Object >> TotalLoad，Type >> ElementUniform，New Set Name选项中输入 load，Target Element Type>> 3D，打开 Input data选项，在 load<F1 F2 F3 >> 选项中输入载荷<0 0 -10000>> ，单击 OK。打开Select Application Region按钮，在 Select Solid Face选项中，选择扳手右端顶部，单击Add、OK、Apply。 6.材料特性设置单击快捷工具栏Isotropic，设置Action >> Create，Object >> Isotropic，Method >> Manual Input，Materia Name 选项中输入Alum，点击Input Properties 按钮，打开 Input Option 面板，设置 Constitutive Model>> Linear Elastic，在Elastic Modulus输入30e6，Poisson Ratio输入0.3，点击OK、Apply。 7.提交计算单击 Analysis，设置Action >> Analyze， Object >> EntireModel，Method >> FullRun，Job Name默认为wrench。单击 Solution type按钮。Solution type>> LINEAR STATIC，单击 OK、Apply。 8.后处理点击Analysis，设置Action >> AccessResults，Object >> Attach HDF5，Method >> Result Entities。单击Select Results File 按钮，文件名wrench.xdb，单击OK、 Apply。将Nastran的分析结果读入到Patran软件。显示位移云图：设置Action >> Create，Object >> QuickPlot， Select FringeResult >> DisplacementsTranslational，Select Deformation Result >> DisplacementTranslational，单击 Apply 按钮，显示位移云图。显示应力云图：点击 Results，设置 Action >> Create，Object >> Quickplot，Select Fringe Result>> Stress Tensor ，Quantity >> von Mises ，SelectDeformationResult >> Displacement Translational，单击 Apply 按钮，显示应力云图。来源：旋算仿真工作室