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仿生材料結(jié)構(gòu)取向?qū)αW(xué)性能的影響

2022-08-25 12:22袁文璽張澤輝
關(guān)鍵詞:微觀力學(xué)性能復(fù)合材料

王 昊,袁文璽,葉 梯,張澤輝

(1. 沈陽大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110000;2. 成都城電電力工程設(shè)計有限公司 輸電設(shè)計部,四川 成都 610000; 3. 中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 成都 610000)

0 引言

人類社會的進步伴隨著材料的生產(chǎn)和技術(shù)的革新,材料的每一次發(fā)展與突破都推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展[1].復(fù)合材料是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點.近年來學(xué)者們通過使用各種先進的實驗設(shè)備和方法,取得了令人矚目的研究成果[2-3].對于仿生領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者們很早就開始了研究,并且在結(jié)構(gòu)仿生、過程仿生和仿生設(shè)計方面都取得了一定的進展.仿生材料是模仿生物各種特點研制而成,很好地將材料與仿生概念結(jié)合在一起,是一種建立在自然界原有材料、人工合成材料、有機高分子材料基礎(chǔ)上的可設(shè)計智能材料[4].自然界中物種豐富,生物材料具有形態(tài)多樣性,大多數(shù)生物材料本質(zhì)上是可以看作是一定尺度下的復(fù)合材料,且至少包含具有不同力學(xué)性能(尤其是剛度)的兩相材料[5].骨骼的組成可以認為是兩相組合的例子.圖1為微觀尺度下骨骼的結(jié)構(gòu)層次[6],圖1(b)是圖1(a)的局部較大,圖1(c)是圖1(b)的局部放大.骨骼的宏觀排列有的是致密的或松質(zhì)的,有的是海綿狀的或松質(zhì)的.致密骨由包圍和保護血管的骨單元組成,骨單元具有層狀結(jié)構(gòu),每個單獨的板層由排列成幾何圖形的纖維組成.

圖1 微觀尺度下骨骼的層次結(jié)構(gòu)Fig. 1 hierarchical structure of bone at micro scale

在生物學(xué)中,層次系統(tǒng)是具有多個尺度的結(jié)構(gòu),其中層次結(jié)構(gòu)由相同的重復(fù)幾何組成.許多生物系統(tǒng)具有分層的界面和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),它們承受和傳遞載荷、吸收能量、適應(yīng)生長、呼吸、運動.LI Y N等[7]通過建立彈性確定性復(fù)合材料力學(xué)模型,定量地研究了結(jié)構(gòu)層次對縫合界面剛度、強度和失效的影響,并指出當(dāng)其它結(jié)構(gòu)幾何和參數(shù)在生物學(xué)上具有挑戰(zhàn)性時,自然界中的生物材料有明確的功能序列和有效的幾何結(jié)構(gòu)策略,可以在有限的材料選擇前提下獲得不同的性能.經(jīng)過長時間的進化和演化,自然界中貝殼、牛角、骨頭、龜殼等一類生物材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能,與塊體材料相比,該類生物材料的優(yōu)異力學(xué)性能主要源于其基本組成單元,是通過有序的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑而成[8].研究材料結(jié)構(gòu)取向?qū)訝罘律牧狭W(xué)行為的影響,對設(shè)計力學(xué)性能優(yōu)異的仿生復(fù)合材料具有重要的意義.

近年來學(xué)者對仿生復(fù)合材料的增韌機制和微觀力學(xué)性能方面進行了大量研究.侯祥龍等[9]研究貝殼珍珠層“磚墻”式微觀結(jié)構(gòu),對微結(jié)構(gòu)組合方式進行優(yōu)化設(shè)計,利用光固化3D打印技術(shù)制備了具有“磚墻”構(gòu)型的仿貝殼珍珠層及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的復(fù)合材料,探究了這類復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸條件下對力學(xué)行為的影響.材料力學(xué)性能的提高常常受到不同參數(shù)之間一系列矛盾關(guān)系的制約,例如強度與損傷容限、機械剛度與穩(wěn)定性、柔度[10].尋求材料學(xué)科與力學(xué)學(xué)科的綜合解決方案來避免這種沖突是可取的,這也是人造材料系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵點和難點.LIU Z Q等[11]從材料和力學(xué)的角度出發(fā),認為仿生材料在變形過程中,適應(yīng)性結(jié)構(gòu)的重新定向是多種生物復(fù)合材料的一種運行機制,這種機制不僅是一種被動反應(yīng),能夠提高靈活性,同時也提供一種有效增強剛性、堅固性、機械穩(wěn)定性和損傷容限的手段.生物體善于通過裝配具有空間變化的機械性能保護表面,可通過制造功能梯度材料來抵抗接觸變形和損傷.盡管目前學(xué)者對生物材料的增韌機制和微觀力學(xué)性能進行了大量研究,但微觀結(jié)構(gòu)取向?qū)αW(xué)性能的影響研究較少.

從實驗角度研究生物復(fù)合材料需要精密的儀器設(shè)備,消耗量大,時間周期長,相比之下,計算機仿真具有靈活性大,不受實驗條件的限制,研究結(jié)果可視化的優(yōu)勢[12].因此,選擇有限元模擬方法,進行兩相仿生復(fù)合材料力學(xué)性能的分析,建立兩相生物復(fù)合材料微觀模型,并將計算結(jié)果與理論模型結(jié)果進行對比,研究仿生材料的結(jié)構(gòu)取向?qū)偠鹊挠绊?,為仿生?fù)合材料性能的探索提供一定思路和借鑒.

2 兩相仿生復(fù)合材料模型

2.1 模型描述

為探索兩相生物材料的結(jié)構(gòu)取向?qū)ζ淞W(xué)性能的影響,以貝殼的微觀結(jié)構(gòu)為研究對象,從復(fù)合材料角度出發(fā),建立不同角度下兩相仿生材料力學(xué)模型,見圖2.

圖2 取向角不同的兩相仿生材料的力學(xué)模型示意Fig. 2 mechanical model signal of two-phase biomaterials with different orientation angles

兩相仿生材料力學(xué)模型是由軟相A和硬相B兩部分組成的二維模型,軟相A充當(dāng)具有柔韌性有機物或弱界面,而硬相B主要以礦物或仿生材料中的亞結(jié)構(gòu)成分,該模型能夠描述廣泛的兩相仿生材料.沿模型的水平方向施加載荷,θ表示結(jié)構(gòu)取向,當(dāng)θ= 0o時,如圖2(a)為并聯(lián)仿生復(fù)合材料模型,當(dāng)θ= 90o時,如圖2(c)為串聯(lián)仿生復(fù)合材料模型,通過變換角度可以得到不同取向下仿生復(fù)合力學(xué)模型.為簡化分析,假設(shè)軟相和硬相材料都滿足均勻性和各向同性,而不考慮其內(nèi)部復(fù)雜性.VA和VB分別為軟相和硬相的體積分數(shù),且滿足VA+VB=1.兩相仿生材料有限元模型建立過程中使用有限元軟件Abaqus.如圖2所示,建立兩相生物材料有限元模型,通過圖2(d)連接約束(Tie)進行綁定,采用分析步(Static/General),有限元模型采用左側(cè)簡支,右側(cè)施加位移載荷.

2.2 方法驗證

基于復(fù)合材料力學(xué)可以獲得仿生復(fù)合材料串并聯(lián)模型的理論解[13],生物復(fù)合材料的表觀彈性模量,可以根據(jù)復(fù)合材料在等應(yīng)變和等應(yīng)力狀態(tài)下的規(guī)則進行簡單描述.

式(1)、式(2)中,E1和E2為不同方向的彈性模量,GPa;EA和EB分別為軟相A和硬相B的彈性模量,GPa;根據(jù)文獻[13]提出任意取向仿生結(jié)構(gòu)彈性模量EB理論模型,可以獲得沿任意取向角的表觀彈性模量為

式中,G12為復(fù)合材料的剪切模量,MPa;θ為取向角,°;υ12為復(fù)合材料的泊松比.

式(4)~式(5)中,GA、GB分別為軟相和硬相的剪切模量,MPa;vA、vB分別為軟相和硬相的泊松比[11].

通過式(5)得到復(fù)合材料的彈性模量為

式中,θ0為取向角,°;εT為應(yīng)變,εT∈[0,lnθ0].

式(6)中H、I、J分別為

式(7)~式(9)中,V為體積mm3;K為硬相和軟相的彈性模量之比.

3 數(shù)值結(jié)果與討論

為了與理論模型一致,有限元模型中軟相和硬相采用相同的泊松比0.3,有限元模型長寬分別為100 mm和50 mm,模型左邊固定不動,右邊施加了位移載荷,材料屬性取自天然貝殼[14].硬相彈性模量為60 GPa,軟相彈性模量為3 GPa,當(dāng)K等于10時,硬相體積分數(shù)為VB等于0.6.通過Abaqus軟件分析,提取相關(guān)應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)據(jù),計算不同取向下的彈性模量,本結(jié)果與理論數(shù)據(jù)比對見表1,本結(jié)果與文獻[13]結(jié)果的誤差為7%,個別數(shù)據(jù)點計算誤差偏大,但整體不超過20%,充分驗證了模型的有效性.

表1 取向角所得結(jié)果與參考文獻結(jié)果對比結(jié)果Tab. 1 comparison of analog computation results and reference results

選取向角為30o、45o、60o、75o,并建立兩相仿生復(fù)合材料模型,有限元模型對應(yīng)單元數(shù)分別為10 992、22 916、25 401、23 134,對應(yīng)節(jié)點數(shù)分別為8 902、19 883、22 001、19 601.從Abaqus中提取數(shù)據(jù),使用Origin繪制不同取向角的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,見圖3.

圖3 不同取向角的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 relationship of stress-strain with different orientation angles

由圖3可知,隨著仿生復(fù)合材料取向角的增大,在相同體積分數(shù)和相同材料參數(shù)下生物復(fù)合材料的彈性模量逐漸減小,這是結(jié)構(gòu)取向?qū)Σ牧蟿偠鹊挠绊?為了更好地說明取向角對仿生復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,繪制不同取向角仿生復(fù)合材料的米賽斯應(yīng)力云圖,見圖4,在相同米塞斯應(yīng)力標(biāo)尺下,材料的取向角越小,仿生復(fù)合材料內(nèi)的應(yīng)力越小,表明結(jié)構(gòu)的剛度越好.

圖4 不同取向角仿生復(fù)合材料的米賽斯應(yīng)力 (單位:MPa)Fig.4 mises stress of bio composites with different orientation angles (unit:MPa)

生成相同應(yīng)力標(biāo)尺下米賽斯應(yīng)力云圖對單個模型的應(yīng)力分布,見圖5.從圖5中可以看到在左右邊界處應(yīng)力分布不均勻程度增加,隨著取向角的增大,不均勻性較強,這與結(jié)構(gòu)軟相出現(xiàn)尖角有關(guān).當(dāng)取向角為30o時,軟相內(nèi)的應(yīng)力小于硬相,通過軟相的調(diào)節(jié)增加了材料的整體韌性.

圖5 局部標(biāo)尺下不同取向角仿生復(fù)合材料的 米賽斯應(yīng)力(單位:MPa)Fig. 5 mises stress of bio composites with different orientation angles under local scale (unit:MPa)

4 結(jié)論

利用Abaqus軟件建立兩相仿生復(fù)合材料微觀模型,計算不同角度下仿生復(fù)合材料的彈性模量,繪制彈性模量曲線,得出彈性模量與應(yīng)力、應(yīng)變和取向角關(guān)系.

(1)彈性模量隨著仿生復(fù)合材料取向角的增加而減小.

(2)在相同體積分數(shù)和相同材料參數(shù)下,仿生復(fù)合材料的彈性模量逐漸減小,材料剛度降低.

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