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1、纤维增强复合材料的数值模拟纤维增强复合材料的数值模拟摘要本文研究的材料为市场常见的玻璃纤维环氧树脂基复合材料，这种材料具有较高的比强度，比刚度和耐久性，绝缘等特点。本文通过对自行制作的不同铺层的复 合材料试样进行性能试验，得出试验力-位移曲线图，实验之后就试验力-位移曲线图进行 试样的强度和弯曲刚度计算和分析，还对各个试样的强度刚度进行对比分析。本文除了进行模拟分析，逐一与实验对照，并得出结论。关键词复合材料；数值模拟；玻璃纤维；环氧树脂纤维增强复合材料的数值模拟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纤维增强复合材料的数值模拟目录引言.1.1复合材料及其应用简介 2.1.1复合材料2.1.2复合材料的应用2.2有限元分析方法和ANSY软件介绍4.2.1 有限元分析方法应用简介 4.2.2 ANSYS件4.3试样的制备及测试 5.3.1复合材料试样的制备 5.3.2实验设备7.3.3实验方法7.3.4有限元分析1.1.3.4.1 确定材料参数 3.4.2 定义壳体截面 123.4.3建立模型1.23.4.4模拟设置123
5、.4.5模拟结果123.4.6实验结果与模拟结果对比14结束语15致谢语16参考文献17.纤维增强复合材料的数值模拟引言材料可分为金属，无机非金属，有机高分子材料等，各种材料都有各自的性能特点。现代高科技的快速发展对材料提出了更高更苛刻的要求。例如海洋开发领域要求材 料耐高压，耐腐蚀等，航天航空领域要求材料高比强，高比模，耐冲击，耐高温，耐辐 射等，在工业生产中要求材料强度高，韧性好，抗疲劳，抗氧化等性能特点。当前单一 的材料仍在快速发展，例如金属材料的一些重要的力学性能的开发已经遇到了瓶颈，为 了更好地迎合科技发展，人们寻求一种能够具有高强，模量等性能集一身的材料，于是 复合材料出现了 1
6、0复合材料是指由至少两种，且各自具有不同性能的单一材料通过物理或化学的方法 组合而成，最后具有新的性能的材料。复合材料各组元的含量要大于复合材料总量的 5%，单一材料的性能也要明显不同于其他的各个单一材料的性能o各种材料在结构性能上互相融合弥补，最终得到各个组成成分无法兼有的的多种优秀的性能特点，使复合 材料的综合性能优于原来的各个单一组元材料，这些性能可以满足各种各样不同且较高 的要求，用以满足科技发展对新材料的需求3 0纤维增强复合材料具有轻质，高强度， 抗腐蚀，抗电磁干扰等优点，广泛应用于航空、汽车工业等。本文研究对象为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，如今纤维增强复合材料的应用越 来越广泛
7、，纤维增强复合材料的高的比刚度，比强度等特点在未来可以替代越来的材料， 但是在使用复合材料前仍必须要对其在服役期间的强度刚度等性能进行研究 0本在对该材料进行建模时需要对材料进行铺层，施加增强体，ANSYS可以很好地胜任这样复杂的结构分析工作。本文期望通过对不同纤维角度铺层搭配的玻璃纤维环氧 树脂基复合材料的研究能够总结出一套纤维角度搭配方案的经验用实验法对不同角度 铺层搭配的试样进行研究之外，还采用 ANSYS软件对试样，根据产品性能要求，自定 义复合材料铺层。同时期望通过本次研究，可以使ANSYS软件更真实地求解复合材料的各项性能，为复合材料的数值模拟提供依据。1复合材料及其应用简介1.1
8、复合材料为了适应发展新需求，得到多种优异的材料性能而将至少两种的单一材料通过各种 有效方法将材料组合在一起，形成一种在性能上兼有各个成分的性能甚至优于成分性能 的新型材料。复合材料一般是由基体和增强体组成。基体分为金属和非金属两大类。而 增强体则有纤维状和颗粒状等方式，称为纤维增强和颗粒增强，如碳纤维复合材料和混 凝土等。在本文中围绕的复合材料为玻璃纤维增强复合材料是属于纤维增强类别的复合材 料，纤维增强复合材料有许多种，可按照增强层分类，分为玻璃纤维，硼纤维，碳纤维 等等，按照基体分类可以为金属基体，树脂基体，橡胶基体等等。现如今复合材料的应用非常广泛，大到航空航天领域，小到汽车，体育运动器
9、材， 这与复合材料的力学性能及高的比强度，比刚度，轻质特点密切相关，同种零件用不同 材料，复合材料可能可以比钢铁等常用材料更加适应零件工作环境，具有更长的寿命。1.2复合材料的应用复合材料的应用已经不是新鲜事了，体育，交通，制造，航空航天等等都有复合材 料的身影，接下来介绍几种复合材料的应用。赛艇为水上运动，在水中前行时需要克服水对船身的阻力，对赛艇船身的外形设计, 如流水线设计，还有赛艇的艇身表面与水之间的摩檫系数能够减小，那么运动员将在比 赛中有更大的胜算。同时也要保证赛艇的耐用性，长期在水上漂浮的赛艇，赛艇艇身容 易受到腐蚀，因此赛艇外表面需要采用耐腐蚀的材料。除此之外，赛艇在比赛中赛艇
10、艇 身还要承受水对它的冲击力，如果艇身外形设计更加趋于流水线，赛艇与水接触的表面 能够采用光滑的材料，则赛艇在前行过程中可以轻易卸掉水的阻力和冲击力赢得比赛。 因此艇身材料的选用影响着比赛成绩，艇身材料有木质，玻璃钢再到后来的复合材料。 这种复合材料制成的艇身，质量不仅轻便，使赛艇加速更快，更加耐腐蚀，而且这种材 料制作的赛艇在坚固程度上也是能够保证的。棒球棒是指在棒球比赛中，运动员用来击打棒球的棒子，棒球棒常见的材质有木质, 铝质和复合材料球棒。棒球棒在该运动中的作用是打击高速的棒球，在运动员挥球棒直到击打棒球的过程中，球棒需要承受棒体的拉力，弯矩，和击打棒球时承受的冲击力和 压力。木质球棒
11、具有较好的弹性和韧性，铝棒则相较于木质球棒更不易断裂，然而复合 材料棒球棒却具有这两种材料的球棒的性能特点。即便如此，在正规的国际棒球比赛中,复合材料制棒球棒是不被允许的。随着科技的发展，汽车正在变得更轻、速度更快，行驶更安全、更节能环保、更加 耐用的方向发展改进。汽车的质量更轻直接带来的好处是减少损耗，速度快，更安全。 为此，当前汽车工业已经大量使用复合材料。具有较大的比强度和比刚度等优点的复合 材料在汽车上的应用无疑将会大幅减轻汽车质量。汽车车身的复合材料与钢相比，密度 更低，却比钢更耐腐蚀，更抗损伤。目前，汽车业的人们正在努力提高汽车的燃油率， 减轻车身重量是主要的方法，而复合材料在汽车
12、上的使用无疑可以做到这一点。在国内外有些飞机在生产过程中使用了大量的复合材料，梁结构等支撑结构。在该 机体上应用复合材料的零部件有很多，有蒙皮，骨梁，部分隔框和构架，燃油箱骨架和 箱壁，还有后机身的龙骨腹板等等。复合材料在飞机的这些部位的作用大多是支撑作用， 这就对复合材料的强度刚度等力学性能有严格的要求，可见复合材料是经过考验的，是 可靠的。但是飞机上使用的复合材料和汽车，体育器械上的复合材料是有所不同的。飞 机上使用的复合材料为高性能环氧树脂基复合材料，其成型工艺有树脂转移成型，纤维 束自动铺放，超级隔板成型等。#纤维增强复合材料的数值模拟2有限元分析方法和ANSYS软件介绍2.1有限元分
13、析方法应用简介有限元法是一种以严密的数学理论为基础的数值分析方法。有限元方法的基本原理是将要分析求解的对象建立模型，然后将模型离散化，离散 成有限个单元，称为Eleme nt,即网格划分，整个有限元模型是由单元构成的，我们在 做数值模拟时就用这种模型来代替实际的结构来进行结构分析的 。在对研究对象的模型进行离散后，我们要进行求解的力学性能等未知量就可以转变 为各个节点的位移量(ANSYS中称之为DOF(DegreeOf Freedom),或是单元的变形量， 试想一下，节点的位移包括在x,y,z轴上的平动和转动，节点的位移在ANSYS软件中可 以通过一系列的代数方程组的计算得到，该计算过程不仅可
14、以得到几点的位移，还可以 得到节点的位移和应力应变的关系，这些关系需要通过数学中的矩阵，经过严密计算， 然后求出指定或者所有节点上的应力、应变，还可以获得单元内任意位置的位移、 应力、应变等需要求解的量5。2.2 ANSYS 软件ANSYS软件应用非常广泛的一款分析设计软件，这个软件是由美国ANSYS公司开发。ANSYS软件已经发展了近半个世纪了，拥有非常成熟，丰富的分析设计经验。ANSYS今天的功能强大是因为这个软件是经过过多年的发展，多次完善，多次与其他 分析模拟软件融合而成为今天的 ANSYS软件。ANSYS软件到今天已有许多个模块， 如用于复合材料的模拟分析的 ACP，界面更加美化方便
15、的workbench等，当然经典界面 仍然功能强大。目前的ANSYS已经涵盖了结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学 分析等学科的一款的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。ANSYS可以做复杂的复合材料结构分析，复合材料结构分析可以采用 ANSYS经典界 面，也可以采用ANSYS软件的ACP模块。本文采用ANSYS经典界面对E玻璃纤维环 氧树脂基复合材料的短圆管进行结构分析。3试样的制备及测试3.1复合材料试样的制备试样形状为长370mm,外直径为22mm,内直径为19mm的短管，如图3-1，试样 材料为普通的E玻璃纤维环氧树脂复合材料。裁纱尺寸：每件试样的预浸料总长度为 400mm，总宽度为200mm，双层厚度为1mm，每块纱布由两层预浸布贴合在一起，设 计每件试件的缠绕层数为 3圈（即有6层预浸料），长度为370400mm （实验中试样 取370mm）。实验试样有4种，每种试样有3根铺层相同的复合材料试样，每个方案 的试样的预浸料铺层存在区别，具体方案如表3-1所示。图3-1试样尺寸表3-1试样预浸料配料序号铺层材料角度长度（mm）宽度（mm）重量（g）试样11G200350。双层40020049.3试样21G20035 45双层400200
