论文题目：纤维增强橡胶结构与力学性能的有限元研究
摘要：研究纤维增强橡胶基复合材料,其组分含量、结构参数等轻微变化,可能会导致力学性能发生显著变化。仅通过实验方法难以实现对纤维增强橡胶复合材料的定量研究及优化设计,而基于细观力学的有限元模拟方法能克服这一难点。该方法通过建立复合材料的力学性能与细观参数的直接关系,并能得到复合材料中各组分在一定应变状态下的力学响应。随着计算机技术的发展,该方法被广泛用在纤维增强橡胶复合材料的结构与性能研究中。本论文主要完成了以下工作:（1）基于细观力学,建立了纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟方法。以三阶Ogden方程作为橡胶基体的力学本构方程。界面的材料参数由原子力显微镜（AFM）定量表征数据确定。探究了两种纤维单元类型对有限元计算结果的影响,并将计算值与实验值进行比较,发现当纤维单元类型选择实体单元时,计算结果更接近实验值。（2）探究了有无界相结构对尼龙66/天然橡胶复合材料宏观力学性能的影响,发现含界面相结构的模型计算结果与实验数据更接近。这说明界面相在应力传递的过程中发挥着重要的作用。（3）利用Python语言编写了纤维随机分布生成算法。通过该算法生成纤维随机分布的最小代表体积元（RVE）模型,探讨纤维的模量（EF）、填充分数（VF）、取向以及长径比（AR）对纤维补强橡胶基复合材料力学性能（弹性模量）的影响,发现:a)在相同VF,取向及AR下,当EF逐渐增大时,复合材料的弹性模量基本呈线性增大;b)在相同Ef,取向及AR下,VF的越大,复合材料的弹性模量（E）也越大;c)在其他条件相同下,纤维沿主应力方向取向的RVE模型的E是纤维随机分散RVE模型的E的2倍,这说明纤维的取向对复合材料的弹性模量影响很大;d)在其他条件相同下,当纤维长径比（AR）不大于45时,复合材料的E随AR的增大而增大;当AR大于45时,AR的进一步增大不会引起E的变化。
关键词：橡胶;纤维;复合材料;有限元;三相模型
学科专业：材料科学与工程
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 复合材料概况
1.1.2 纤维增强橡胶基复合材料的研究
1.2 复合材料细观力学的研究现状
1.2.1 基于理论分析法的复合材料研究现状
1.2.2 基于有限元法研究复合材料的研究现状
1.3 有限元计算软件的简介
1.4 复合材料界面的表征方法
1.5 基于原子力显微镜(AFM)界面研究现状
1.5.1 AFM原理简介
1.5.2 AFM研究界面现状
1.6 选题意义、研究内容及创新点
1.6.1 选题的意义
1.6.2 研究内容
1.6.3 课题创新点
第二章 实验部分
2.1 实验材料及实验仪器
2.2 实验配方
2.3 实验工艺
2.3.1 混炼胶的制备
2.3.2 尼龙66/天然橡胶复合材料的制备
2.4 材料性能测试与界面表征
2.4.1 基体橡胶的拉伸-回复测试
2.4.2 AFM定量表征界面表征
第三章 纤维增强橡胶复合材料力学性能的有限元模拟方法
3.1 引言
3.2 有限元模型的建立
3.2.1 几何模型
3.2.2 本构方程及材料参数的确定
3.2.2.1 橡胶超弹性本构方程及其参数的确定
3.2.2.2 纤维材料参数的确定
3.2.2.3 界面材料参数的确定
3.2.3 网格的划分
3.2.4 分析步的设置
3.2.5 边界条件和均质化方法
3.3 不同纤维单元类型对计算结果的影响
3.4 界面相对复合材料力学性能的影响
3.5 纤维随机分布的算法
3.6 本章小结
第四章 纤维增强橡胶复合材料性能的有限元分析
4.1 引言
4.2 纤维的模量(E_F)对复合材料弹性模量(E)的影响
4.3 纤维的体积分数(V_F)对复合材料弹性模量(E)的影响
4.4 取向对复合材料弹性模量的影响
4.5 长径比(AR)对复合材料弹性模量(E)的影响
4.6 本章小结
第五章 结论
第六章 研究展望
参考文献
致谢
作者与导师简介
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