金属基复合材料论文？
摘要:金属基复合材料结合了金属结构材料和作为基体的增强体两者的优点，具有高强度、高弹性模量和良好疲劳性能的特点。由于制造工艺相对简单且价格低廉，颗粒增强金属基复合材料显示出广泛的商业价值。金属基复合材料首先应用于航空航天领域，随着其价格的不断降低，在汽车、电子、机械等工业领域的应用也越来越广泛。正因如此，全球各大公司和研究机构对it的研究和应用开发正在多层次、大领域展开。笔者阅读了大量相关文献，然后总结了近年来国内外学者对金属基复合材料的研究，具有一定的现实意义。
1.随机颗粒分布金属基复合材料有效性能的研究
20世纪90年代中期，波维克、古塞夫等人证明了整个复合材料可以用一个有限体积的代表性体积元来模拟其微观结构，从而建立了复合材料宏观性能与其组成材料性能和微观结构之间的定量关系。
随着计算机技术的飞速发展，数值分析方法已经成为复合材料力学分析中不可缺少的工具。在做数值模拟时，建立合适的数学模型是数值模拟计算复合材料等效性能的基础。
基于有限元方法的多尺度等效性能计算是研究复合材料细观结构与宏观力学行为关系的有效而重要的方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格生成，然后可以进行多尺度计算。
国内外发展了各种计算复合材料等效性能的数值方法。一般来说，可以分为反分析和直接分析。反分析法的实质是根据现场观测结果反演复合材料的力学参数。反分析方法主要依赖于材料路径的实测位移、本构模型和材料参数的假设。由于客观条件的影响和对复合材料的不了解，模型和材料参数的假设往往与实际情况相差很大，因此这种方法在实际应用中遇到了一些困难。因此，人们试图选择另一种方式——直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元法不能很好地解决离散复合材料计算结果的误差，基于离散元法的宏观力学参数计算研究很少。目前的数值分析方法主要是基于有限元法，计算过程是先建立颗粒材料的统计模型，然后模拟不同尺度的复合材料“试件”；这样得到的复合材料“试件”可视为由基体和增强颗粒组成，其力学参数可在实验室单独确定，然后进行有限元分析，进而得到颗粒的统计力学参数。该方法计算结果的正确性取决于颗粒统计模型的正确性和有限元算法的合理性。这个过程虽然有误差，但误差不会大于原位测量。这种方法的缺点是，为了避免尺寸效应，在模拟不同尺度的“试件”时增加了计算成本，并且当计算尺度增大时，“试件”中的粒子数明显增加，给有限元划分和计算带来困难。
有学者基于有限元方法和等效观点研究了颗粒增强复合材料的等效性能，即按照一定的等效原则，宏观考虑颗粒对材料力学性能的影响，将整个颗粒增强复合材料均匀化、连续化，然后通过有限元计算得到等效的力学性能。但仍有一些局限性，如等效体的尺寸效应等。作为一种研究复合材料宏观性质的新方法，数学家们做了大量的研究，如A.Bensousson，J.L.Lion等。，对于小周期结构问题的逐步分析，给出了均匀化材料系数的概念；O.A.Oleinik等人深入研究了均匀化理论和具有小周期结构的一阶渐进分析理论；在此基础上，侯和给出了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊志等人提出了小周期结构的双尺度突变算法。对于具有对称性的基本单元，给出了高阶渐进公式和有限元估计，并将此方法应用于工程计算，从而使理论分析到数值计算实现了均匀化。阶段和实际应用阶段使计算具有复杂微结构的非均质材料的宏观力学参数成为可能，并给出了计算周期编织复合材料等效力学参数的双尺度方法。
在等效计算中，需要建立材料的胞元模型，如二维胞元模型、二维多粒子胞元模型、三维胞元模型、三维多粒子胞元模型和代表性胞元模型。武汉理工大学曲鹏程教授等。根据SEM试样的横截面建立有限元模型，成功预测了SiC颗粒增强铝基复合材料的等效弹塑性力学性能特征曲线。根据10%Al2O3的体积含量，Soppa对6061Al基复合材料的实验微观图进行了增强，并制作了构件的有限元分析模型，观察残余热应力对PRMMCs变形和失效的影响。韩等采用三维多粒子胞模型研究了PRMMCs的力学性能和裂纹产生。
2.复合材料微结构拓扑优化研究
结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化的新概念开始发展，现在拓扑优化正在成为国际结构优化领域的一个新热点。以Roderick Lakes(1987，1993)为标志，阐述了具有负泊松比系数的泡沫材料，以及通过不同组分的材料复合可以获得任何单相材料无法比拟的极端材料特性(如零膨胀系数、零剪切性能)的新发现，将材料微结构的优化设计纳入拓扑优化领域。特别是由Sigmund在20世纪90年代中期提出，现在已经成为材料研究领域的前沿课题之一。在2002年第九届AIAA年会上，Kalidindi等人提出了“MSD-微结构敏感设计”的概念，进一步完善和发展了微结构配置和组成优化设计的思想和体系。这些开创性的工作为复合材料和结构的拓扑优化设计奠定了坚实的基础，进一步推动了材料微结构的优化设计。
通过微结构胞元的均匀化技术可以获得复合材料的宏观性能，通过微结构胞元的拓扑优化设计可以获得具有良好特性的复合材料，如具有负泊松比、负热膨胀系数、零剪切性能和良好压电特性的压电材料。对于单胞的拓扑优化设计，问题可分为两类:一类是满足本构模量最小体积百分比等于给定值的问题；另一个是满足一系列体积约束和对称性条件的极端物质常数问题。Silva基于均匀化方法开发了具有极限性能的二维和三维压电材料的优化设计。在国内，元稹和吴长春进行了极端性能弹性材料的优化设计，杨伟等人用优化准则法设计了特定性能的微结构，实现了负泊松比的材料设计。目前，基于传热性能的微结构优化设计还处于起步阶段。张等人基于均匀化方法预测材料的传热性能，在给定的材料用量下设计复合材料，得到具有极限传热性能的复合材料。
拓扑优化兼具尺寸优化和形状优化的复杂性，微结构的最终拓扑形式未知。以柔度最小为目标函数的微结构拓扑优化得到的蜂窝结构是标准的正六边形蜂窝结构。
三。摘要
金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种新型高科技工程材料，以其优越的性能受到国内外的高度重视。SiC颗粒增强铝基复合材料是目前复合材料中最引人注目的体系之一，无论从理论上还是实验上都是复合材料的理想研究对象。本文综述了国内外金属基复合材料的有效性能研究和微观结构拓扑优化，对金属基复合材料的研究具有一定的意义。