纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬摘要本文研究的材料為市場常見的玻璃纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，這種材料具有較高的比強(qiáng)度，比剛度和耐久性，絕緣等特點。本文通過對自行制作的不同鋪層的復(fù) 合材料試樣進(jìn)行性能試驗，得出試驗力-位移曲線圖，實驗之后就試驗力-位移曲線圖進(jìn)行 試樣的強(qiáng)度和彎曲剛度計算和分析，還對各個試樣的強(qiáng)度剛度進(jìn)行對比分析。本文除了進(jìn)行模擬分析，逐一與實驗對照，并得出結(jié)論。關(guān)鍵詞復(fù)合材料；數(shù)值模擬；玻璃纖維；環(huán)氧樹脂纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬Numerical Simulationof Fiber Reinforced CompositesAbstract This pa

2、per studies the materials for the market com mon glass fiber epoxy matrix composites, this material has a higher specific strength, specific stiffness and durability. The performa nee test was carried out on the self product ion of differe nt ply composite specime ns, draw the experimental force dis

3、placementcurve, the test force displacement curve of specimenstrength and flexural stiffness calculation and analysis, but also the strength of the samples at each stiffness ratio an alysis was con ducted to. In additi on to simulati on an alysis, and con parati on with the experiments one by one, a

4、nd concluded.Key words : finite element ； composite material ； glassfiber ； epoxy resin纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬目錄引言.1.1復(fù)合材料及其應(yīng)用簡介 2.1.1復(fù)合材料2.1.2復(fù)合材料的應(yīng)用2.2有限元分析方法和ANSY軟件介紹4.2.1 有限元分析方法應(yīng)用簡介 4.2.2 ANSYS件4.3試樣的制備及測試 5.3.1復(fù)合材料試樣的制備 5.3.2實驗設(shè)備7.3.3實驗方法7.3.4有限元分析1.1.3.4.1 確定材料參數(shù) 3.4.2 定義殼體截面 123.4.3建立模型1.23.4.4模擬設(shè)置123

5、.4.5模擬結(jié)果123.4.6實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比14結(jié)束語15致謝語16參考文獻(xiàn)17.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬引言材料可分為金屬，無機(jī)非金屬，有機(jī)高分子材料等，各種材料都有各自的性能特點?，F(xiàn)代高科技的快速發(fā)展對材料提出了更高更苛刻的要求。例如海洋開發(fā)領(lǐng)域要求材 料耐高壓，耐腐蝕等，航天航空領(lǐng)域要求材料高比強(qiáng)，高比模，耐沖擊，耐高溫，耐輻 射等，在工業(yè)生產(chǎn)中要求材料強(qiáng)度高，韌性好，抗疲勞，抗氧化等性能特點。當(dāng)前單一 的材料仍在快速發(fā)展，例如金屬材料的一些重要的力學(xué)性能的開發(fā)已經(jīng)遇到了瓶頸，為 了更好地迎合科技發(fā)展，人們尋求一種能夠具有高強(qiáng)，模量等性能集一身的材料，于是 復(fù)合材料出現(xiàn)了 1

6、0復(fù)合材料是指由至少兩種，且各自具有不同性能的單一材料通過物理或化學(xué)的方法 組合而成，最后具有新的性能的材料。復(fù)合材料各組元的含量要大于復(fù)合材料總量的 5%，單一材料的性能也要明顯不同于其他的各個單一材料的性能o各種材料在結(jié)構(gòu)性能上互相融合彌補(bǔ)，最終得到各個組成成分無法兼有的的多種優(yōu)秀的性能特點，使復(fù)合 材料的綜合性能優(yōu)于原來的各個單一組元材料，這些性能可以滿足各種各樣不同且較高 的要求，用以滿足科技發(fā)展對新材料的需求3 0纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)，高強(qiáng)度， 抗腐蝕，抗電磁干擾等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、汽車工業(yè)等。本文研究對象為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，如今纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用越 來越廣泛

7、，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高的比剛度，比強(qiáng)度等特點在未來可以替代越來的材料， 但是在使用復(fù)合材料前仍必須要對其在服役期間的強(qiáng)度剛度等性能進(jìn)行研究 0本在對該材料進(jìn)行建模時需要對材料進(jìn)行鋪層，施加增強(qiáng)體，ANSYS可以很好地勝任這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析工作。本文期望通過對不同纖維角度鋪層搭配的玻璃纖維環(huán)氧 樹脂基復(fù)合材料的研究能夠總結(jié)出一套纖維角度搭配方案的經(jīng)驗用實驗法對不同角度 鋪層搭配的試樣進(jìn)行研究之外，還采用 ANSYS軟件對試樣，根據(jù)產(chǎn)品性能要求，自定 義復(fù)合材料鋪層。同時期望通過本次研究，可以使ANSYS軟件更真實地求解復(fù)合材料的各項性能，為復(fù)合材料的數(shù)值模擬提供依據(jù)。1復(fù)合材料及其應(yīng)用簡介1.1

8、復(fù)合材料為了適應(yīng)發(fā)展新需求，得到多種優(yōu)異的材料性能而將至少兩種的單一材料通過各種 有效方法將材料組合在一起，形成一種在性能上兼有各個成分的性能甚至優(yōu)于成分性能 的新型材料。復(fù)合材料一般是由基體和增強(qiáng)體組成?；w分為金屬和非金屬兩大類。而 增強(qiáng)體則有纖維狀和顆粒狀等方式，稱為纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)，如碳纖維復(fù)合材料和混 凝土等。在本文中圍繞的復(fù)合材料為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是屬于纖維增強(qiáng)類別的復(fù)合材 料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有許多種，可按照增強(qiáng)層分類，分為玻璃纖維，硼纖維，碳纖維 等等，按照基體分類可以為金屬基體，樹脂基體，橡膠基體等等?，F(xiàn)如今復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛，大到航空航天領(lǐng)域，小到汽車，體育運(yùn)動器

9、材， 這與復(fù)合材料的力學(xué)性能及高的比強(qiáng)度，比剛度，輕質(zhì)特點密切相關(guān)，同種零件用不同 材料，復(fù)合材料可能可以比鋼鐵等常用材料更加適應(yīng)零件工作環(huán)境，具有更長的壽命。1.2復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)不是新鮮事了，體育，交通，制造，航空航天等等都有復(fù)合材 料的身影，接下來介紹幾種復(fù)合材料的應(yīng)用。賽艇為水上運(yùn)動，在水中前行時需要克服水對船身的阻力，對賽艇船身的外形設(shè)計, 如流水線設(shè)計，還有賽艇的艇身表面與水之間的摩檫系數(shù)能夠減小，那么運(yùn)動員將在比 賽中有更大的勝算。同時也要保證賽艇的耐用性，長期在水上漂浮的賽艇，賽艇艇身容 易受到腐蝕，因此賽艇外表面需要采用耐腐蝕的材料。除此之外，賽艇在比賽中賽艇

10、艇 身還要承受水對它的沖擊力，如果艇身外形設(shè)計更加趨于流水線，賽艇與水接觸的表面 能夠采用光滑的材料，則賽艇在前行過程中可以輕易卸掉水的阻力和沖擊力贏得比賽。 因此艇身材料的選用影響著比賽成績，艇身材料有木質(zhì)，玻璃鋼再到后來的復(fù)合材料。 這種復(fù)合材料制成的艇身，質(zhì)量不僅輕便，使賽艇加速更快，更加耐腐蝕，而且這種材 料制作的賽艇在堅固程度上也是能夠保證的。棒球棒是指在棒球比賽中，運(yùn)動員用來擊打棒球的棒子，棒球棒常見的材質(zhì)有木質(zhì), 鋁質(zhì)和復(fù)合材料球棒。棒球棒在該運(yùn)動中的作用是打擊高速的棒球，在運(yùn)動員揮球棒直到擊打棒球的過程中，球棒需要承受棒體的拉力，彎矩，和擊打棒球時承受的沖擊力和 壓力。木質(zhì)球棒

11、具有較好的彈性和韌性，鋁棒則相較于木質(zhì)球棒更不易斷裂，然而復(fù)合 材料棒球棒卻具有這兩種材料的球棒的性能特點。即便如此，在正規(guī)的國際棒球比賽中,復(fù)合材料制棒球棒是不被允許的。隨著科技的發(fā)展，汽車正在變得更輕、速度更快，行駛更安全、更節(jié)能環(huán)保、更加 耐用的方向發(fā)展改進(jìn)。汽車的質(zhì)量更輕直接帶來的好處是減少損耗，速度快，更安全。 為此，當(dāng)前汽車工業(yè)已經(jīng)大量使用復(fù)合材料。具有較大的比強(qiáng)度和比剛度等優(yōu)點的復(fù)合 材料在汽車上的應(yīng)用無疑將會大幅減輕汽車質(zhì)量。汽車車身的復(fù)合材料與鋼相比，密度 更低，卻比鋼更耐腐蝕，更抗損傷。目前，汽車業(yè)的人們正在努力提高汽車的燃油率， 減輕車身重量是主要的方法，而復(fù)合材料在汽車

12、上的使用無疑可以做到這一點。在國內(nèi)外有些飛機(jī)在生產(chǎn)過程中使用了大量的復(fù)合材料，梁結(jié)構(gòu)等支撐結(jié)構(gòu)。在該 機(jī)體上應(yīng)用復(fù)合材料的零部件有很多，有蒙皮，骨梁，部分隔框和構(gòu)架，燃油箱骨架和 箱壁，還有后機(jī)身的龍骨腹板等等。復(fù)合材料在飛機(jī)的這些部位的作用大多是支撐作用， 這就對復(fù)合材料的強(qiáng)度剛度等力學(xué)性能有嚴(yán)格的要求，可見復(fù)合材料是經(jīng)過考驗的，是 可靠的。但是飛機(jī)上使用的復(fù)合材料和汽車，體育器械上的復(fù)合材料是有所不同的。飛 機(jī)上使用的復(fù)合材料為高性能環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，其成型工藝有樹脂轉(zhuǎn)移成型，纖維 束自動鋪放，超級隔板成型等。3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬2有限元分析方法和ANSYS軟件介紹2.1有限元分

13、析方法應(yīng)用簡介有限元法是一種以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法。有限元方法的基本原理是將要分析求解的對象建立模型，然后將模型離散化，離散 成有限個單元，稱為Eleme nt,即網(wǎng)格劃分，整個有限元模型是由單元構(gòu)成的，我們在 做數(shù)值模擬時就用這種模型來代替實際的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的 。在對研究對象的模型進(jìn)行離散后，我們要進(jìn)行求解的力學(xué)性能等未知量就可以轉(zhuǎn)變 為各個節(jié)點的位移量(ANSYS中稱之為DOF(DegreeOf Freedom),或是單元的變形量， 試想一下，節(jié)點的位移包括在x,y,z軸上的平動和轉(zhuǎn)動，節(jié)點的位移在ANSYS軟件中可 以通過一系列的代數(shù)方程組的計算得到，該計算過程不僅可

14、以得到幾點的位移，還可以 得到節(jié)點的位移和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，這些關(guān)系需要通過數(shù)學(xué)中的矩陣，經(jīng)過嚴(yán)密計算， 然后求出指定或者所有節(jié)點上的應(yīng)力、應(yīng)變，還可以獲得單元內(nèi)任意位置的位移、 應(yīng)力、應(yīng)變等需要求解的量5。2.2 ANSYS 軟件ANSYS軟件應(yīng)用非常廣泛的一款分析設(shè)計軟件，這個軟件是由美國ANSYS公司開發(fā)。ANSYS軟件已經(jīng)發(fā)展了近半個世紀(jì)了，擁有非常成熟，豐富的分析設(shè)計經(jīng)驗。ANSYS今天的功能強(qiáng)大是因為這個軟件是經(jīng)過過多年的發(fā)展，多次完善，多次與其他 分析模擬軟件融合而成為今天的 ANSYS軟件。ANSYS軟件到今天已有許多個模塊， 如用于復(fù)合材料的模擬分析的 ACP，界面更加美化方便

15、的workbench等，當(dāng)然經(jīng)典界面 仍然功能強(qiáng)大。目前的ANSYS已經(jīng)涵蓋了結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)和熱學(xué) 分析等學(xué)科的一款的大型通用有限元分析軟件，是一款不可多得的工程分析軟件。ANSYS可以做復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析可以采用 ANSYS經(jīng)典界 面，也可以采用ANSYS軟件的ACP模塊。本文采用ANSYS經(jīng)典界面對E玻璃纖維環(huán) 氧樹脂基復(fù)合材料的短圓管進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。3試樣的制備及測試3.1復(fù)合材料試樣的制備試樣形狀為長370mm,外直徑為22mm,內(nèi)直徑為19mm的短管，如圖3-1，試樣 材料為普通的E玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。裁紗尺寸：每件試樣的預(yù)浸料總長度為 4

16、00mm，總寬度為200mm，雙層厚度為1mm，每塊紗布由兩層預(yù)浸布貼合在一起，設(shè) 計每件試件的纏繞層數(shù)為 3圈（即有6層預(yù)浸料），長度為370400mm （實驗中試樣 取370mm）。實驗試樣有4種，每種試樣有3根鋪層相同的復(fù)合材料試樣，每個方案 的試樣的預(yù)浸料鋪層存在區(qū)別，具體方案如表3-1所示。圖3-1試樣尺寸表3-1試樣預(yù)浸料配料序號鋪層材料角度長度（mm）寬度（mm）重量（g）試樣11G200350。雙層40020049.3試樣21G20035± 45雙層40020049.3試樣31G20035± 45雙層400130322G200350。雙層4007017.3試

17、樣41G20035± 45雙層4007017.22G200350。雙層40013032.1試樣的制備過程如圖3-2所示包括：預(yù)浸料裁切、預(yù)浸料卷制、預(yù)浸料成型、短管 裁切等幾個步驟。預(yù)浸料原材料是成卷且大面積的，將紗布按照表3-1裁切。纖維的抗剪切力不大，因此在切割纖維時也不需要太大的力。預(yù)浸料原材料的制備有兩種方法， 是干法和濕法7，本研究的復(fù)合材料預(yù)浸料為濕法制備的。預(yù)浸料原材料主要是由環(huán)氧 樹脂和浸潤后的玻璃纖維組成，壓成片狀的復(fù)合材料，再用保鮮膜和紙包起來，其用途 是保護(hù)復(fù)合材料，避免被氧化或者固化，一般預(yù)浸料是要保存在冷庫里的，溫度太高將導(dǎo)致預(yù)浸料變質(zhì)。預(yù)浸料原材料一般是單

18、層的，裁剪后兩張同角度同尺寸的復(fù)合材料貼 合，形成試樣方案中的雙層復(fù)合材料，這樣做的目的是為了避免角度鋪層出錯，影響產(chǎn) 品質(zhì)量，另一個目的是纏繞成型的時候能夠施加更大的抱緊力，而不至于將預(yù)浸料拉扯 變形。下圖為成卷的原材料：(a)預(yù)浸料原材料(b)裁切0度紗(c)裁切完畢的紗布(d)將待卷制的紗布平鋪在橡膠墊上(e)卷制完成f)試樣成品圖3-2試樣的制作過程3.2實驗設(shè)備本次實驗采用3-2：WDW-100型微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)，這種試驗機(jī)的主要參數(shù)如表表3-2萬能材料試驗機(jī)的主要參數(shù)產(chǎn)品名稱WDW-100型微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)型號WDW-100品牌長春科新最大試驗力100kN等級0.5

19、級本實驗所使用的萬能材料試驗機(jī)主要用于各種材料的拉伸、 壓縮和彎曲等力學(xué)性能 試驗。并且這臺試驗機(jī)還可以另外配備實驗的附件來進(jìn)行材料的其他實驗， 如進(jìn)行剪切、 斷裂等試驗。試驗機(jī)配合GTC350型全數(shù)字測量控制器和計算機(jī)一起使用，做到試驗，測量，記 錄，分析計算于一體，對實驗試樣上的試驗力、變形等性能參數(shù)進(jìn)行實時記錄計算，這 臺試驗機(jī)按國標(biāo)GB/T7314金屬材料室溫壓縮方法和 GB/T228金屬材料室溫拉伸 試驗方法的規(guī)定，對實驗的全過程進(jìn)行有效控制。壓頭與支撐采用剛性材料，固定端采用螺釘固定。壓頭和支撐與試樣的接觸面為圓 柱面，這樣做的好處是避免受力時對試樣進(jìn)行剪切。3.3實驗方法(1)

20、跨距設(shè)置：將下部支點跨距調(diào)至 340mm并鎖定，跨距設(shè)置如圖3-3所示圖3-3跨距設(shè)置(2) 加載方式：本試驗采用三點彎曲方式對圓形橫截面試樣施加彎曲力，一般加 載到試樣發(fā)生大變形導(dǎo)致破壞，記錄全過程的載荷和位移等數(shù)據(jù)，載荷類型為位移載荷, 位移速度為10mm/min,總位移量為40mm。（3）參考標(biāo)準(zhǔn)：本試驗的參考標(biāo)準(zhǔn)有9YB/T5349-2006金屬彎曲力學(xué)性能試驗方 法，10GBT 21238-2007玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管，QBT 2803-2006硬質(zhì)塑料管材彎曲 度測量方法，GB/T 9647-2003熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測定。（4）實驗過程及分析：本實驗有 4種試樣，各試樣外形

21、尺寸完全一致，纖維角度 則如表3-1所示，下面將對各個試樣的實驗進(jìn)行分析。試樣1為全0度預(yù)浸料組成，剛開始時，試樣的主要變形為試樣截面的環(huán)向變形， 試樣在環(huán)向受到張力，在位移達(dá)到1.5mm時，試件發(fā)出破裂的聲響，試件出現(xiàn)裂紋，裂 紋方向為順纖維方向，因此發(fā)生破壞的是固化的環(huán)氧樹脂，固化樹脂不斷出現(xiàn)裂紋，試 驗機(jī)的壓頭受到的反力總體上升，直到位移為6mm時試樣破壞嚴(yán)重，此時試樣的環(huán)剛度非常小，試樣的主要變形形式為彎曲，纖維承受拉力，壓頭承受的反力減小。試樣在 出現(xiàn)許多長裂紋后，與壓頭接觸附近的試樣截面變形嚴(yán)重，試樣整體彎曲變形嚴(yán)重，加 載位移達(dá)到40mm后停止加載并卸荷，取出試件，試件除了順纖維

22、方向的裂紋外沒有出 現(xiàn)與纖維垂直的折痕。一般來說隨著基質(zhì)的破壞，試樣整體的剛度下降，如圖3-4所示，但是在試樣1的實驗力-位移曲線中可以看到，實驗在第一次破壞后的剛度下降并不明顯或者并沒有下 降，第二次，第三次，第四次的破壞后試樣的剛度仍比較大，在圖中可以看到試樣所承 受的實驗力隨位移的增大呈鋸齒狀上升，直到達(dá)到最大實驗力，但是在第四次破壞后， 試樣的剛度下降程度非常大，試樣的承載力也迅速下降。環(huán)氧樹脂基質(zhì)的強(qiáng)度要比玻璃纖維弱，因此加載到一定位移時，環(huán)氧樹脂基質(zhì)要先 于玻璃纖維發(fā)生破壞。復(fù)合材料試樣在受壓過程中，試樣受到軸向彎曲變形和環(huán)向截面 變形。該試件的纖維角度為軸向0°試樣1比

23、較不容易發(fā)生軸向彎曲變形，因此剛度比 較大，即使環(huán)氧樹脂基質(zhì)發(fā)生破壞，但并不影響試樣的整體剛度，直到實驗力達(dá)到最大（132.25N）時，纖維開始斷裂，剛度劇烈下降。在試件加載過程中，先發(fā)生破壞的是 環(huán)氧樹脂基質(zhì)，因為試樣還發(fā)生環(huán)向截面變形，變形使樹脂需要承受徑向壓力和徑向剪 切力，致使試樣出現(xiàn)順纖維方向的裂紋。試樣2鋪層方式為：45° -45。相互交疊，一共6層。加載到一定位移時出現(xiàn)陸陸續(xù) 續(xù)的小聲響，在試驗力-曲線圖中并沒有發(fā)生加載力的突變。當(dāng)位移達(dá)到 4.25mm時，試 樣破裂，在軸向出現(xiàn)明顯彎曲，并且在接下來的加載過程中，試樣彎曲度越來越大，直 至加載結(jié)束，加載位移為40mm，

24、此時對試樣進(jìn)行卸荷操作，在試樣與壓頭接觸部位的外表面出現(xiàn)折痕，在折痕周邊有毛刺以及微小裂紋圖3-4試樣1試驗力-位移曲線從試驗力-位移曲線中觀察，如圖3-5，試樣2在加載過程中試樣上雖然有出現(xiàn)微小 裂紋，但是在曲線圖中只有一次試驗力的突變，即出現(xiàn)在位移為4.25mm時,在試驗力發(fā)生突變后，加載力還有上升一段時間，上升到約等于最大力后，隨著位移載荷增加，試 驗力在緩緩下降，當(dāng)位移達(dá)到 30mm后則試驗力穩(wěn)定在20N。從圖10中可以看出曲線 較平緩，說明試樣2剛度要較試樣1的小，同時破壞均勻，試樣強(qiáng)度較試樣1稍低。試樣2的纖維鋪層方式為±45交疊，與試樣1的纖維鋪層相比，試樣2的玻璃纖維

25、 與試樣的環(huán)向截面變形和軸向彎曲變形的方向夾角都為45°這樣的好處是玻璃纖維在兩種變形中都有受到作用力。試樣 2的強(qiáng)度和剛度都要低于試樣1,這是因為試樣1的 玻璃纖維都用來抵抗軸向彎曲變形，但是試樣1卻很容易發(fā)生破壞，位移加載到約1.5就開始發(fā)生破壞。而與試樣1相比，試樣2卻有更好的韌性。230.00144,00 l4Cl.dd LO.CO E mooIZD.Od110.00 IW-OQsn.oa30100a. oo10.00o.odICLQQ L2-W L*.w Ifr.QOJQ.ChQ24.QQ徐 g 押”。0 釜島 3* 加幕JfQ睜仙圖3-5試樣2試驗力-位移曲線試樣3在實驗

26、過程中的出現(xiàn)聲響是加載大概30秒左右，時間出現(xiàn)較大的裂紋，接著試樣出現(xiàn)明顯的彎曲變形，并伴隨著時不時的啪啪聲響，直至加載結(jié)束，此時加載位 移為40mm,進(jìn)行卸荷操作，取出試樣，查看試件，試件表面出現(xiàn)部分與試樣軸向平行 的裂紋，在受壓處出現(xiàn)折痕，在底部出現(xiàn)倒刺。從試驗力-位移曲線中觀察，如圖3-5,試樣2在受壓彎曲過程中，達(dá)到相對于前兩 個試樣非常大的極限載荷180N才出現(xiàn)破壞，在位移載荷增加到3mm之前，試樣表現(xiàn)得 很穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)影響整體性能的破壞，位移載荷達(dá)到3-6.5mm過程，試樣發(fā)生微小破壞，試樣剛度下降，試驗力上升速度減緩，當(dāng)位移載荷達(dá)到6.5mm時，試驗力發(fā)生突變，瞬間降到155N

27、，接下來試驗力有些許上升，上升到160N后就開始緩慢下降，最后 趨于緩和，直到加載位移達(dá)到 40mm停止加載。試樣3是由兩種纖維角度的預(yù)浸料鋪層組成的， 試樣的最大實驗力可以達(dá)到180N, 剛度更是比試樣1和試樣2要大，就結(jié)構(gòu)與試樣1和試樣2對比，試樣3有兩層45°玻 璃纖維，可以用于抵抗環(huán)向截面變形，而外四層則用于抵抗軸向彎曲變形，但是以本次 的參考材料三的點彎曲試驗分析，由于試樣圓管壁厚較薄，圓管受壓部位在受壓時需要 承受的環(huán)向截面變形可能要大于軸向彎曲變形，因此猜想如果將±45纖維方向的預(yù)浸料的層數(shù)增加將會增大試樣的剛度。試樣4在加載到大約20秒時出現(xiàn)大聲響，試樣表面

28、出現(xiàn)裂紋，之后試樣出現(xiàn)明顯 變形，彎曲變形較為明顯，20秒以后的試樣不時發(fā)出破裂的聲音，彎曲速度變快變明顯, 直到加載位移量達(dá)到40mm，加載過程結(jié)束，取出試樣 4，觀察試樣表面，同樣有一些 與試樣軸向平行的微裂紋，試樣受壓部位有垂直0 °纖維的折痕。試驗力-位移曲線中觀察，如圖3-6,試樣3在受壓彎曲過程中，達(dá)到四個試樣中最 大的極限載荷195N才出現(xiàn)破壞。試驗的加載位移量從 0到3mm，試樣4的試驗力-位 移曲線幾乎是呈線性的，即在這段區(qū)間內(nèi)，試件未受到破壞或者破壞非常小，在這段區(qū) 間內(nèi)試樣是可靠的。試驗位移載荷大于3mm后，試件發(fā)生破壞，但是試驗力下降并不大，并且保持一定值（1

29、45N）一段時間才開始下降。圖3-7試樣4試驗力-位移曲線如圖3-7,最大力達(dá)到195N，剛度為370.6。都要大于試樣3,且剛度要遠(yuǎn)大于試 樣3.造成這種差別的原因是試驗方式，試驗的試樣圓管壁厚較薄，僅為1.5mm,圓管受壓部位在受壓時需要承受的環(huán)向截面變形可能要大于軸向彎曲變形13，因此增加45°鋪層數(shù)。3.4有限元分析模擬目的是為了求解出不同鋪層的復(fù)合材料在 1mm位移載荷作用下的支反力，以 及試樣的應(yīng)力分布情況，并與實驗結(jié)果相比較，驗證 ANSYS軟件可以準(zhǔn)確地對復(fù)合材 料的受力情況進(jìn)行分析模擬。3.4.1確定材料參數(shù)本課題研究對象為玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，該材料各向異性，

30、涉及參數(shù)主要有 拉伸模量、泊松比、剪切模量。參數(shù)設(shè)置按照文獻(xiàn)14設(shè)置為Ex=45100MPa, EY=9000MPa， Ez=9000MPa， PRxy=0.287， pryz=0.091， PRxz=0.297，GxY=16500MPa， GYz=2480MPa，Gxz=16500MPa。12纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬Acl纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬 342定義殼體截面單層材料厚度為0.25mm,方向角按表3-1設(shè)置。3.4.3建立模型在ANSYS WorkbenchDesignModeler模塊中以短管的外形尺寸 （如圖3-1所示）畫出三維模型，再在ANSYS ACP模塊中進(jìn)行分析。3.4

31、.4模擬設(shè)置在ANSYS WorkbenchMechanical模塊中，設(shè)置約束、載荷，并劃分網(wǎng)格。參照3.3節(jié)中的實驗方法，在短管的左右兩側(cè)下方設(shè)置Fixed Support約束，跨距為340mm，以模擬三點彎曲實驗中下方的兩個圓柱支撐；正在短管中心上方設(shè)置Displaceme nt約束，向下移動1mm，以模擬三點彎曲實驗中向下加載的壓頭。設(shè)置結(jié)果如圖3-12所示。C： static StructuraI dStatic StructuralTime: L s2015/6/4 21:19Fixed SupportDisplacementFixed Support 2OjOO50.00圖3-8

32、模型約束設(shè)置3.4.5模擬結(jié)果經(jīng)過分析求解，可以獲得試樣模型的支反力和模型上的應(yīng)力分布情況，如圖3-9所示，各試樣在B節(jié)點受到向下的位移載荷1mm時的反力云圖和應(yīng)力云圖。圖中反力值 較試樣實驗值大得多，但是試樣變形形式與試樣實驗的變形一致。可以從圖中查看試樣中應(yīng)力值和最大應(yīng)力，并且查看應(yīng)力分布情況，圖中各個試樣 的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在試樣受壓處，說明采用ANSYS數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確反應(yīng)試樣的應(yīng)力分布15，并且可以預(yù)測試樣最容易發(fā)生失效的位置101如TAl.I tuTar1 課 jH 4Cuili*j-：Mm y ie fiMkf qiiwflpini' filrp-iir/pe- Ecp

33、j-. 杷此 l«-o- Tqg用men - La/弊 PMnil M*diTirnii £ V f ci ck Hjrw.bon 05Q N 聲 Fart* Raa>.-!L - I'N N | 號11-d.-241.12n.<>-亠或!.'->»- p.j=A 1/ -1 -" w | I |t1 鈿*wTabiJisr Dnta試樣1下壓1mm的反力(b)試樣1應(yīng)力分布匚如山 SI l«L<vhi4 dl 百f*">' I |*|i|g2E缶昭 Jld JF-ahula

34、rr LKbEa14T80JTJ4:Tabular Data12538111-9i*JE1411JWC: 9 at it Structural diptaccmcnilEqJr.li 5iinTvcib: EowjUarrt Wnri悩 i* Elm it - Tup irlluni - Layrr G Llnh：陽旳Timsr； 1lCUFtomh讓I 125J6阿亂吧片昭&5-6BWJB(c)試樣2下壓1mm的反力(d)試樣2應(yīng)力分布DirpiT-< T 1”F|m 7ff'Jl - I-" <°N/- 1 -*珂卩1> Jt,aJMi

35、Jid<>(e)試樣3下壓1mm的反力Tabular mtaC: 9tl k ?irudur«l dliphccnttfYlEqurvdlfr Sr#5S 1>peiEqdtf«ntSlrwi - Tcp>Baitro! Lr QIJnit：IVPjTim« Tluut urnMv: 1?S-S6Mm: O.«.l 1 3ZH3?120r&l?5J+aojm 殆出2BMJT315 JI 7a.9&113Tiw b | F Mi 甬m HI 呵ii.1=-=-.Sta(f)試樣3應(yīng)力分布Tima i | P"

36、; hjnirurn MPa P* MjErnuTn|1-metTabula< DataC; Si,Lie SLiLufjI dicpliicintwilEq-JdlMt Sb伽斗Typ?；on-WipppI $穴沖-Tap/pRtcL, 比辭"0Uhh.: MP«TlmpilCuilcrnjMAm! 131ME】然5：J就12吊出21:3B咖審 1砂 idfi.'N - S3Jt.曲.3萌 &2J25一 J?P3M(h)試樣4應(yīng)力分布圖(g)試樣4下壓1mm的反力圖3-9各試樣的分析結(jié)果346實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比為驗證試樣的數(shù)值模擬分析結(jié)果的合理性

37、，將試樣管在1mm的位移載荷作用下的受力點的反力的實驗測試值和模擬分析值列成圖表，如圖3-10所示。一測試值 模擬值圖3-10三點彎曲試驗各試樣變形 1mm的支反力從圖3-10可以看出，在1mn位移載荷作用下，試樣的支反力的有限元的分析結(jié)果與 測試值之間誤差較大，分析得到的值要比測試值大許多,但是其變化趨勢與測試結(jié)果基 本一致。誤差較大的原因如下：(1) 由于試樣制作過程中存在許多影響試樣質(zhì)量的因素，如試樣采用袋壓成型時壓 力不足導(dǎo)致試樣內(nèi)部存在氣孔 口，影響試樣的強(qiáng)度。由于有限元分析過程中將材料模型采用單向的復(fù)合材料層合板的材料參數(shù)，使 材料模型以單種材料進(jìn)行有限元分析，結(jié)果是導(dǎo)致分析值較測

38、試值高。15纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬結(jié)束語本文完成了對E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料不同纖維角度鋪層的試樣進(jìn)行 了三點彎曲實驗和采用ANSYS分析軟件進(jìn)行模擬印證，并加以分析總結(jié)，得出如下結(jié) 論：1、從實驗結(jié)果結(jié)合對受力分析得出結(jié)論，復(fù)合材料不同鋪層方式影響材料的力學(xué)性能，如抗彎強(qiáng)度和極限載荷。經(jīng)過試驗可以得出，試樣1的抗彎強(qiáng)度要比試樣2 大,但是極限載荷則相反；試樣3抗彎強(qiáng)度和極限載荷都要比試樣 2小。根據(jù)產(chǎn)品的實際需 要可以將兩種角度或者更多角度的復(fù)合材料適當(dāng)搭配，以滿足產(chǎn)品的力學(xué)性能要求。2、 ANSYS分析軟件可以用于分析求解復(fù)雜的復(fù)合材料力學(xué)性能，并且只要進(jìn)行一 次材料力學(xué)性能試

39、驗測試，得出一些分析模擬必需的材料參數(shù)，就可以進(jìn)行數(shù)值模擬。 ANSYS軟件對試樣進(jìn)行求解，可以預(yù)測試樣最容易發(fā)生失效的位置，這樣就能對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中在該位置進(jìn)行提前強(qiáng)化。3、本文的研究存在一些不足，首先是試樣在實驗過程中，隨著破壞的持續(xù)發(fā)生試 樣的剛度持續(xù)降低（復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷），而在數(shù)值模擬分析時并沒有去模擬出來， 還有在試樣制作過程中也有許多因素會影響力學(xué)性能，如成型壓力和成型溫度，還有就 是實驗與分析模擬得到的數(shù)據(jù)并不是吻合的，為了使分析模擬分析能夠更接近實驗，需 要對得到的數(shù)據(jù)添加一個系數(shù)進(jìn)行處理。16纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬致謝語畢業(yè)設(shè)計馬上就要結(jié)束了，回想起這學(xué)期，感覺自己做

40、了很多，別人也幫了我很多 王老師剛給為我這個名為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬的題目時，我躊躇滿志，自 信滿滿，以為我可以很快就能完美地完成畢業(yè)設(shè)計，我查了很多書籍，看過很多相似的 論文以及資料，這個時候才發(fā)現(xiàn)我無從下手。感謝王老師在這個時候幫我找了兩本具有 針對性的書，我學(xué)習(xí)之后感覺對畢業(yè)設(shè)計很有幫助。我懂得了一個道理，自己摸索固然 收獲最大，但是有人為你指條明路才能收獲最快。本次畢業(yè)設(shè)計有很大一部分工作量是 做材料性能實驗，為了完成畢業(yè)設(shè)計，還需要自己動手去制備試樣，在這過程可以更加 深入去了解復(fù)合材料的成型等內(nèi)容，感謝為我提供幫助和方便的企業(yè)。實驗完之后就要 進(jìn)行軟件分析，在分析過程中我碰到可很多問題，犯了很多錯誤，老師很有耐心地指導(dǎo) 我，引導(dǎo)我要怎么做。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，我提高了分析問題解決問題的能力和提高學(xué) 習(xí)能力，使我能夠更好地