聚合物矿物复合材料是以花岗岩为骨料,由经过改性后的环氧树脂作为胶结料,并添加适量的石英砂等填料,通过固化后而形成的多相复合材料。聚合物矿物复合材料由于具有良好的力学性能、抗阻尼性、阻热性能及耐腐蚀性能等优点,被广泛地用于机床床身制造业。随着计算机技术和计算材料学的快速发展,越来越多的研究者通过有限元仿真技术对聚合物矿物复合材料的物理性能进行研究,以期降低材料研发的周期和成本。聚合物矿物复合材料细观数值模型可以看作是由骨料、树脂基体和两者间的界面过渡层而形成的一种多相复合材料。利用计算机建模技术建立接近于真实材料结构的数值模型,能够研究不同组分性能对聚合物矿物复合材料物理性能的影响规律,从而为聚合物矿物复合材料的性能及结构设计与优化提供一定的参考。本文针对目前已有的聚合物矿物复合材料建模方法所存在的弊端,例如建模效率低、模型含骨料体积率低等问题,采用一种将缩小骨料膨胀变大的方法实现了聚合物矿物复合材料高致密度模型的建模。利用骨料膨胀方法能够高效地生成高体积率模型,使得建立的细观模型更加接近于真实的材料结构,保证了模拟计算过程的准确度。本课题分析了 5种不同骨料级配模型的力学性能、热膨胀率和热传导性能,研究了最优性能的骨料级配,从而能够为聚合物矿物复合材料的性能预测和结构优化设计提供一定的指导。本文主要工作及结论如下:(1)采用一种针对聚合物矿物复合材料高体积率模型高效的建模方法。首先,将每个粒径范围内的骨料缩小一定比例投放至试样模型空间中,然后将缩小的骨料模型导入至有限元模型中,并通过施加一定的温度载荷使得缩小的骨料膨胀至预定的粒径大小,从而能够生成高致密度的聚合物矿物复合材料细观数值模型。本建模方法不仅能够高效地生成骨料体积率大于50%的数值模型,而且相对于现有的骨料随机投放建模方法,能够节省20%以上的建模时间,说明骨料膨胀法在建立骨料高体积率模型时效率较高,建模优势非常突出。(2)根据真实骨料三维形状参数统计数据,提出了生成更加接近于真实骨料形状的凸、凹骨料模型算法。比较了骨料缩小不同比例时,利用骨料膨胀法建模所消耗的时间,从而确定建模时间最短时骨料最佳的缩小比例。为了证明缩小骨料膨胀过程中空间位置随机性不受影响,研究了两种不同骨料分布模型中骨料膨胀前后空间位置的变化,发现骨料在膨胀后空间位置分布仍然保持原先的随机性。另外,也对缩小骨料膨胀过程中运动轨迹进行了捕捉,进一步证明了骨料膨胀过程中虽然存在相互接触的现象,但是骨料不会产生较大的变形和移动。(3)通过膨胀法生成了 5种不同骨料级配的数值模型,将模型导入至有限元软件ABAQUS中分析这5种骨料级配模型的弹性模量。结果发现沙氏级配模型弹性模量最大,说明聚合物矿物复合材料弹性模量与骨料含量成正比;同时也研究了气孔率对模型的弹性模量的影响规律,发现模型的弹性模量与气孔率成反比。为了研究不同级配模型的抗拉强度,分别在骨料与基体之间、基体内部插入粘聚力单元,骨料采用脆性断裂本构关系,研究了 5个模型在受到拉伸载荷时的损伤断裂过程。(4)利用有限元模拟软件ABAQUS研究了不同骨料级配模型的热膨胀率以及热传导等性能。为了模拟聚合物矿物复合材料的热传递过程,采用有限元软件ABAQUS中的温度-位移耦合模拟方式,研究5种不同骨料级配模型热膨胀和温度传递过程。结果发现沙氏级配模型的热膨胀率最小,主要是由于沙氏级配模型中骨料的体积率最高,温度传递较慢,模型变形量小。(5)利用MATLAB软件拟合出骨料和基体不同物理性能变化对聚合物矿物复合材料物理性能的影响规律,并给出了相应的优化响应曲面分析图。能够指导设计出综合性能最优的聚合物矿物复合材料,对聚合物矿物复合材料的生产加工和结构优化设计具有一定的指导价值。