コンピュータ・シミュレーションによる短繊維強化金属基複合材料の巨視的非線形応力-ひずみ挙動の予測

Abstract

短繊維を含有する金属基複合材料の微視的機械的挙動のコンピュータシミュレーション法を研究し、金属基複合材料の巨視的非線形応力-歪関係を予測した。繊維分布の周期配列の異なる2種類の複合材料を選び、3次元非線形有限要素法を展開した。次いで、複合材料中の残留応力も考慮した。残留応力は繊維とマトリックスの熱膨張係数の差異に起因するものである。SiC粒子強化6061アルミニウム合金複合材料についての実験結果と比較することによって、このコンピュータシミュレーション法の妥当性を調べた後、SiCウイスカ強化6061アルミニウム合金複合材料の巨視的応力-歪関係に及ぼす繊維の容積含有率とアスペクト比および残留応力の影響を定量的に明らかにした。

The computational simulation method of micro-mechanical behavior in metal matrix composites containing short fibers is studied to predict the macroscopic nonlinear stress-strain relationship of the metal matrix composites. Three-dimensional nonlinear finite element analysis is developed for two kinds of periodic array of the fiber distributions. Then, the residual stresses in the composites, which are due to the difference of thermal expansion coefficients of fiber and metal matrix are also taken account of. After the validity of the computational simulation method is examined with the experimental results of a SiC particle reinforced 6061 aluminum alloy composite, the effects of the arrangement, volume fraction and aspect ratio of fibers, and the residual stresses on the macroscopic stress-strain relationship of a SiC whisker reinforced 6061 aluminum alloy composite at room temperature are clarified quantitatively.