Resumen: Los compuestos de matriz metálica combinan las ventajas de los materiales estructurales metálicos y los refuerzos como matriz, y tienen alta resistencia, alto módulo elástico y características de buen rendimiento ante la fatiga. . Los compuestos de matriz metálica reforzados con partículas han mostrado un valor comercial generalizado debido a sus procesos de fabricación relativamente simples y económicos. Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizaron por primera vez en el campo aeroespacial. A medida que sus precios siguen bajando, se utilizan cada vez más en campos industriales como los automóviles, la electrónica y la maquinaria. Debido a esto, las principales empresas e instituciones de investigación de todo el mundo están llevando a cabo investigaciones y desarrollo de aplicaciones de TI en múltiples niveles y en grandes áreas. El autor leyó una gran cantidad de literatura relevante y luego resumió la investigación sobre compuestos de matriz metálica realizada por académicos nacionales y extranjeros en los últimos años, que tiene cierta importancia práctica.
1. Investigación sobre el rendimiento efectivo de los compuestos de matriz metálica con distribución aleatoria de partículas.
A mediados de la década de 1990, Powick, Gusev y otros demostraron que todo el material compuesto puede ser elementos de volumen representativos. de volumen finito se utilizan para simular su microestructura, estableciendo así una relación cuantitativa entre las propiedades macroscópicas del material compuesto y las propiedades del material componente y la microestructura.
Con el rápido desarrollo de la tecnología informática, los métodos de análisis numérico se han convertido en una herramienta indispensable en el análisis mecánico de materiales compuestos. Al realizar una simulación numérica, establecer un modelo matemático apropiado es la base de la simulación numérica para calcular el rendimiento equivalente de los materiales compuestos.
El cálculo del rendimiento equivalente multiescala basado en el método de elementos finitos es un método eficaz e importante para estudiar la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico macroscópico de los materiales compuestos. La premisa de adoptar este método es establecer un modelo de elementos finitos del material compuesto, incluido el modelado geométrico y la generación de malla del área de distribución aleatoria de partículas, y luego se pueden realizar cálculos a múltiples escalas.
Se han desarrollado varios métodos numéricos para calcular las propiedades equivalentes de los materiales compuestos en el país y en el extranjero. En términos generales, se puede dividir en análisis inverso y análisis directo. La esencia del método de análisis inverso es invertir los parámetros mecánicos de los materiales compuestos basándose en los resultados de la observación in situ. Los métodos de retroanálisis se basan principalmente en desplazamientos medidos de la trayectoria del material, modelos constitutivos y suposiciones sobre los parámetros del material. Debido a la influencia de las condiciones objetivas y la falta de comprensión de los materiales compuestos, las suposiciones de los modelos y los parámetros de los materiales suelen ser muy diferentes de la situación real, por lo que este método ha encontrado algunas dificultades en las aplicaciones prácticas. Por lo tanto, la gente intenta elegir otro método: el método de análisis directo para predecir los parámetros mecánicos de los materiales compuestos. Dado que el método de elementos discretos no puede resolver bien los errores en los resultados de cálculo de materiales compuestos discretos, existen pocos estudios sobre el cálculo de parámetros mecánicos macroscópicos basados en el método de elementos discretos. El método de análisis numérico actual se basa principalmente en el método de elementos finitos. El proceso de cálculo consiste en establecer primero un modelo estadístico del material granular y luego simular la "muestra" de material compuesto de diferentes escalas; de esta manera se puede considerar que está compuesto por la matriz y los parámetros mecánicos de la composición de partículas mejorada se pueden determinar individualmente en el laboratorio, y luego se puede realizar un análisis de elementos finitos para obtener los parámetros mecánicos estadísticos de las partículas. La exactitud de los resultados del cálculo de este método depende de la exactitud del modelo estadístico de partículas y de la racionalidad del algoritmo de elementos finitos. Aunque existe un error en este proceso, el error no será mayor que la medición in situ. La desventaja de este método es que para evitar efectos de tamaño, el costo computacional aumenta al simular "muestras" de diferentes escalas, y cuando la escala de cálculo aumenta, el número de partículas en la "muestra" aumenta significativamente, dando la finita División de elementos y dificultades de cálculo.
Algunos estudiosos han estudiado las propiedades equivalentes de los materiales compuestos reforzados con partículas basándose en el método de los elementos finitos y el punto de vista de equivalencia. Es decir, según un cierto principio de equivalencia, la influencia de las partículas en la mecánica. Las propiedades del material se consideran macroscópicamente y se refuerzan todas las partículas. El material compuesto se homogeneiza y es continuo, y luego se obtienen propiedades mecánicas equivalentes mediante el cálculo de elementos finitos. Pero todavía existen algunas limitaciones, como el efecto del tamaño del cuerpo equivalente. Como nuevo método para estudiar las propiedades macroscópicas de los materiales compuestos, los matemáticos han realizado muchas investigaciones, como A. Bensousson, J.L. Lion, etc.
, para el análisis paso a paso de problemas de estructuras periódicas pequeñas, se dio el concepto de coeficientes de materiales homogeneizados; O.A. Oleinik y otros realizaron una investigación en profundidad sobre la teoría de la homogeneización y la teoría del análisis asintótico de primer orden con estructuras periódicas pequeñas; sobre esta base, Hou He propuso la estimación teórica de elementos finitos expandidos asintóticamente de primer orden; Cui Junzhi et al propusieron un algoritmo de mutación de doble escala para pequeñas estructuras periódicas. Para unidades básicas con simetría, se dan fórmulas asintóticas de alto orden y estimaciones de elementos finitos, y este método se aplica a los cálculos de ingeniería, logrando así uniformidad desde el análisis teórico hasta los cálculos numéricos. La etapa y la etapa de aplicación práctica permiten calcular parámetros mecánicos macroscópicos de materiales heterogéneos con microestructuras complejas, y se proporciona un método de doble escala para calcular parámetros mecánicos equivalentes de compuestos trenzados periódicos.
En cálculos equivalentes, es necesario establecer un modelo celular del material, como por ejemplo un modelo celular bidimensional, un modelo celular multipartículas bidimensional, un modelo celular tridimensional, un Modelo tridimensional de células multipartículas y modelo celular representativo. Profesor Qu Pengcheng de la Universidad Tecnológica de Wuhan y otros. Se estableció un modelo de elementos finitos basado en la sección transversal de la muestra SEM, y se predijo con éxito la curva característica de rendimiento mecánico elástico-plástico equivalente de los compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de SiC. Basándose en el contenido en volumen de 10Al2O3, Soppa mejoró la micrografía experimental del material compuesto a base de 6061Al y produjo un modelo de análisis de elementos finitos del componente para observar el impacto de la tensión térmica residual en la deformación y falla de los PRMMC. Han et al. utilizaron un modelo tridimensional de células multipartículas para estudiar las propiedades mecánicas y la generación de grietas de los PRMMC.
2. Investigación sobre optimización topológica de microestructuras compuestas
La optimización de la topología estructural es el desarrollo de la optimización de la forma estructural y un aspecto de la optimización del diseño. Cuando la optimización de la forma maduró gradualmente, el nuevo concepto de optimización de la topología estructural comenzó a desarrollarse, y ahora la optimización de la topología se está convirtiendo en un nuevo punto caliente en el campo internacional de la optimización estructural. Tomando a Roderick Lakes (1987, 1993) como símbolo, desarrolló materiales de espuma con coeficientes de relación de Poisson negativos y las propiedades extremas del material (como el coeficiente de expansión cero, cero). El nuevo descubrimiento de las propiedades de corte trae el diseño óptimo de la microestructura del material a el campo de la optimización topológica. Propuesto especialmente por Sigmund a mediados de los años 1990, ahora se ha convertido en uno de los temas de vanguardia en el campo de la investigación de materiales. En la novena reunión anual de la AIAA en 2002, Kalidindi y otros propusieron el concepto de "Diseño sensible a microestructuras MSD", mejorando y desarrollando aún más la idea y el sistema de configuración de microestructuras y diseño de optimización de composición. Estos trabajos pioneros han sentado una base sólida para el diseño de optimización topológica de estructuras y materiales compuestos, y han promovido aún más el diseño óptimo de microestructuras de materiales.
Las propiedades macroscópicas de los materiales compuestos se pueden obtener mediante la tecnología de homogeneización de celdas de microestructura. Mediante el diseño de optimización topológica de las celdas de microestructura, se pueden obtener materiales compuestos con buenas características, como índice de Poisson negativo y piezoeléctrico negativo. Materiales con coeficiente de expansión térmica, rendimiento de corte cero y buenas propiedades piezoeléctricas. Para el diseño de optimización topológica de celdas unitarias, los problemas se pueden dividir en dos categorías: uno es un problema que satisface el porcentaje de volumen mínimo del módulo constitutivo igual a un valor dado y el otro es un problema de constante material extrema que satisface una serie de; Restricciones de volumen y condiciones de simetría. Silva desarrolla diseños optimizados de materiales piezoeléctricos bidimensionales y tridimensionales con propiedades extremas basados en métodos de homogeneización. En China, Yuan Zhen y Wu Changchun llevaron a cabo el diseño optimizado de materiales elásticos con propiedades extremas. Yang Wei y otros utilizaron el método de criterio de optimización para diseñar microestructuras con propiedades específicas y lograron un diseño de materiales con una relación de Poisson negativa. Actualmente, el diseño de optimización de la microestructura basado en el rendimiento de la transferencia de calor está todavía en su infancia. Zhang et al. predijeron el rendimiento de transferencia de calor de los materiales basándose en el método de homogeneización, diseñaron materiales compuestos con una dosis de material determinada y obtuvieron materiales compuestos con el máximo rendimiento de transferencia de calor.
La optimización topológica tiene la complejidad tanto de la optimización del tamaño como de la forma, y se desconoce la forma topológica final de la microestructura. La estructura de panal obtenida mediante optimización de la topología de la microestructura con una flexibilidad mínima como función objetivo es una estructura de panal hexagonal regular estándar.
Tres. Resumen
El material compuesto de matriz metálica es un nuevo tipo de material de ingeniería de alta tecnología que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años y ha atraído gran atención en el país y en el extranjero por su rendimiento superior.
Los compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de SiC son uno de los sistemas más llamativos en materiales compuestos en la actualidad y son objetos de investigación ideales para materiales compuestos tanto teórica como experimentalmente. Este artículo revisa la investigación de rendimiento efectiva y la optimización de la topología de la microestructura de compuestos de matriz metálica en el país y en el extranjero, lo cual es de cierta importancia para la investigación de compuestos de matriz metálica.