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2020-07-03 16:42:36
复合材料有限元仿zhenjisuan的yingyongfangfa浅析


01
复合材料分类


复合材料可以ding义为以一zhong材料为基体,其他材料为增强体,通过一ding加工fangfa组簒ian谝黄鸲鴛ing成的一zhong宏观(微观)上xin性能的材料,能够zai性能上对单一材料优点进行利yong,补短其某些性能不足,产生更hao协同效ying。复合材料的基体材料分为金shu和非金shu两大类。金shu基体常yong的觴in痢ei、铜、钛及其合金。非金shu基体主yao有合成树脂、xiangjiao、陶瓷、石墨、碳deng。增强材料主yao有玻璃纤wei、碳纤wei、peng纤wei、芳纶纤wei、碳hua硅纤wei、石棉纤wei、晶须、金shu。复合材料现zai越来越guang泛yingyong于hang天、汽车、游艇、fengdian、运动器材deng领yu。
02
 复合材料jie构有限元jisuanfangfa


工程wen题对承dan较大载荷复合材料jie构jian需yao进行校核设ji,zai模型謕iao钢袄鹹ong有限元分析仿zhen会大大提高产品设ji效率,以及通过优hua设jifangfagei出hao的设jikongjian和材料分布。复合材料的有限元分析一般可以考虑三zhongjisuanfangfa进行处li:微观fangfa、zhong尺度fangfa、宏观fangfa。


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图1 多zhong复合材料微元jie构
  • 微观fangfa(Micro-Scale Approach)

微观fangfa(Micro-Scale Approach)是最xiang细的复合材料jisuanfang案,ding义纤weiji何zai基体zhong的jiao度、位置、材料shu性并进行jisuan,图2所示是多zhong复合材料微元jie构,但是这zhongjisuanfangfa对于大型设ji产品的jisuanliang是相当可观的,例如玻璃纤wei增强复合材料feng力fadian机导liu罩,玻璃纤wei直径单位μm而导liu罩尺寸直径zai5-10米,虽然有限元falilun模ni系tongjie构力学(求解所有长度尺度)可行但目前可行性不高,无lun是zai现代jisuanyingjian上还是zai不久的将来,shuliang级差距明xian所需jisuan单元shuliang将会像天文shu字般庞大。
  • zhong尺度fangfa(Meso-Scale Approach)

zhong尺度fangfa(Meso-Scale Approach)通过铺层设ji、ding义单层厚度、材料shu性、铺层纤weijiao度deng进行表达复合材料的设ji,这zhongfangfa通常以如图3所示层合板复材jisuan为主。

zhong尺度jisuanfangfa能够进行的复合材料ying力、ying变、失效模式判ding、层jian失效、剥lideng分析,例如图4所示是复材板zhewan性能的渐进sun伤分析jisuanjieguo。

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图2 复合材料层合板设ji

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图3zhong尺度的jisuanfangfa渐进sun伤分析
  • 宏观fangfa(Macro-Scale Approach)

宏观fangfa(Macro-Scale Approach)通常yong于不考虑层jian评估的整体ying力、模态、屈qudeng分析zhong。其zhong一zhong是通过jisuan微观胞元均质hua材料参shuzhuanhua为宏观各向异性huo者非各向异性jisuan参shu的fangfa,这使得复合材料产品chu始设ji和jie构性能仿zhen具有了更hao的依据。xiao除复合材料有限元分析zhong尺度wen题的标zhunfangfa是均匀hua,zai所有的仿zhenfangfazhong都存zai尺度分li的jia设,如guo违bei微尺度jie构bi须明xian小于宏观尺度这一jia设,微观和宏观尺度不能独立建模,这gejia设对于复合材料和增材制造点阵设ji都是合li的,所有jisuanzhong都是这gejia设。ying该指出有一ge逆向过程chen为去均质huo局buhua,研究jie构zai某一位置失效的原因将分析从宏观尺度zhuanyi到微观尺度,zai更细层次上确ding失效的原因。

以短切纤wei复合材料均质hua和随机UD复合材料均质hua为例进行说明:

短切纤wei复合材料均质huajisuan过程采yong各向同性xian性dan性基体材料和各向同性huo横向各向同性(单向)xian性dan性纤wei材料组成。纤wei是有限长度的圆柱体,jiading纤wei的长度和直径一致,纤wei均匀分布于各gefang向,纤wei与基体材料之jian完美jie合,如图4所示。

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图4 短切纤wei复合材料均质hua
随机UD复合材料均质huajisuan过程由各向同性xian性dan性基体材料和各向同性huo横向各向同性(单向)xian性dan性纤wei材料组成。纤wei是无限的、圆柱xing的、相同纤wei直径莥i骄鵩ang向为Xfang向,纤wei与基体材料完美jie合,如图5所示。

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图5 随机UD复合材料均质hua
通过均质hua后复合材料jisuan材料shu性能够zai复合材料謕iao竕ie构零jian进行宏观尺度上有限元模ni分析,jisuan成本大大jiang低;同时能够通过对复合材料基体、纤weibi例可控进行参shuhua设ji寻求较jia材料性能;这些都为未来3D打印复合材料技术guang泛yingyong提gong了良hao前提。
03
复合材料有限元分析jisuan举例


以一ge复合材料连jie关节suan例来说明zhong尺度fangfa、微观-宏观均质huafangfa的jisuanyingyong,连jie关节jie构包括jie构卡钳、夹紧片、高强luoshuan、管jie构jibu分组成。其zhong管jie构常规铺层设ji,采yong复合材料zhong尺度fangfajisuanfangfa,利yongANSYS CompositePrePost进行完成;夹紧片jie构采yong微观-宏观均质huafangfa,采yong随机UD材料的均质hua模型jisuan材料参shu并基于材料单元fang向赋予进行;卡钳jie构采yong微观-宏观均质huafangfajisuan短纤wei复合材料均质hua材料参shu进行;默认卡钳和夹紧片采yong3D打印复材fangfa进行增材制造并进行表面光整机械加工,仿zhen模型zhongjie构材料分布如图6所示。

求解jisuan采yongANSYS Mechanical进行,整体模型jisuan搭建考虑Connectjie触连jie和Joint运动关节设置,并建立相ying位置约束,施加luoshuan预紧力作yongluoshuan拉紧卡钳jie构不断压紧夹紧片并作yongzai管jie构,如图7所示。

求解jisuanjieguo如图9所示,采yong微观-宏观均质huajisuan的卡钳jie构材料shu性jie近各向同性能够直jie进行deng效ying力、变xing的观cha,zhongjian夹紧片jisuanjie构采yong主ying力考虑纤weifang向的ying力状态,管jie构采yongACP-Post逐层进行ying力、ying变观cha和失效zhunze的评估。

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图6 仿zhenjisuan模型jie构材料分布示yi

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图7 jisuan边界和载荷

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图8 求解jisuanjieguo


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