含椭圆形液体夹杂的固液复合材料力学特性的理论研究

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本文主要从理论与仿真两部分说明液体压力与表面张力,基底材料,夹杂物形状,尺寸对含有椭圆形液体夹杂物复合材料的杨氏模量与应力分布的影响。理论部分考虑界面应力并利用复变函数法对无限长线性弹性平面内椭圆可压缩液体夹杂物在均匀远端应力作用下,界面处的应力的分布进行详细分析,并对固-液复合材料的应力场进行了研究。探讨液体压力变化、液体压缩性、夹杂物形状和表面张力对复合材料应力分布和变形的影响。此外,导出了含圆形液体夹杂物的固-液复合材料的等效平面应变杨氏模量,并考察了液体压力变化和表面张力对其的影响。结果表明当液体体积模量大于或与基体的杨氏模量相当时,不能忽略液体压力的变化,当液体夹杂物的尺寸小于弹性毛细管长度时,不能忽略固-液接触界面的表面张力的影响。液体压力变化和表面张力都能增加含有圆形液体夹杂物的固-液复合材料的等效平面应变杨氏模量同时能降低液体夹杂物端点的应力集中系数。本文通过有限元分析验证了理论部分关于液体压缩性,夹杂物形状与表面张力与材料应力分布的关系。同时得到了含液体夹杂的硬复合材料与软复合材料的仿真结果。结果表明,当软基底材料含有液体夹杂物时,能有效的提高整体材料的杨氏模量。此外本文还探究了在对复合材料逐级加载的过程中,材料杨氏模量与液体体积分数的关系,结果显示,材料杨氏模量随着液体体积分数的增加而先快速增加,之后缓慢增加,最后趋于某一固定值。最后本文对含多个相同的椭圆形液体夹杂物的复合材料进行了仿真分析,考虑夹杂物之间的相互作用,探究复合材料的杨氏模量与液体夹杂物体积分数之间的关系。结果表明,含单个液体夹杂物的复合材料的杨氏模量随着液体体积分数的增大而增大,含多个液体夹杂物的复合材料的杨氏模量随着液体体积分数的增加而降低。
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