基于ANSYS鋪層方向?qū)?fù)合材料的力學(xué)影響分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

復(fù)合材料是一種多相材料,由多種性質(zhì)極不相同的材料組成。先進(jìn)的復(fù)合材料在本世紀(jì)60年代初才發(fā)明,最具代表性的為聚合物為基的高性能的碳纖維和硼纖維復(fù)合材料。

纖維和基體的力學(xué)性能有很大的差異,他們組合起來構(gòu)成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在彈性常數(shù)、線膨脹系數(shù)及強(qiáng)度特性方面必然會(huì)表現(xiàn)出明顯的各向異性。通過對纖維取向的設(shè)計(jì)制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)程度不同的各向異性,復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性,是復(fù)合材料所特有的主要優(yōu)點(diǎn)。纖維復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同強(qiáng)度和模量的材料所構(gòu)成,在纖維和基體材料選定后,尚有許多材料參數(shù)和幾何參數(shù)可變動(dòng),而且形成層合結(jié)構(gòu)時(shí)每一層的鋪設(shè)方向又可隨意安排,這樣就可以人為的改變組分材料的種類、含量,以及鋪層方向和順序。在一定范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)中對材料強(qiáng)度、剛度和方向性的要求,可是結(jié)構(gòu)的性能、重量和經(jīng)濟(jì)指

標(biāo)等都做到合理的優(yōu)化組合。為設(shè)計(jì)人員提供了一種在一定范圍內(nèi)可隨意設(shè)計(jì)的材料,達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)高度統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

沖擊現(xiàn)象的共同特點(diǎn)是載荷強(qiáng)度高,作用時(shí)間短,尤其作用時(shí)間短是區(qū)別于其他一般力學(xué)現(xiàn)象的重要特征。在沖擊現(xiàn)象中,作用時(shí)間一般為毫秒、微秒,甚至毫微秒數(shù)量級,在這么短時(shí)間內(nèi)完成施加高強(qiáng)度載荷,以及在被作用物體內(nèi)造成極高的壓力或應(yīng)力,引起被作用物體內(nèi)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)和材料破壞,這是一系列隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程。與沖擊效應(yīng)有關(guān)的主要復(fù)合材料層合板的材料參數(shù),是層合板的密度和硬度等。密度越大、硬度越高,由地面沖擊反射所造成的層合板破壞程度越嚴(yán)重,對于小質(zhì)量、高速撞擊的彈體來說,高強(qiáng)度合金鋼、鎢合金和鈾合金才是制作彈體的理想材料。本文研究了不同鋪層方式對其力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2模型的建立與計(jì)算

如圖1所示,給出了層合板的有限元模型,在ansys有多個(gè)單元可以模擬復(fù)合材料,本文選取SHELL99單元來模擬層合板這個(gè)力學(xué)模型。本文的層和板共分為四層,每層的厚度為0.002m,長度和寬度都為0.25m。

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圖1層合板的有限元模型

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圖2層合板的有限元模型的載荷

本文的模型的計(jì)算邊界條件:四邊固定;在面上受到均勻的壓力其大小為1e5pa。表1給出了復(fù)合材料的性能參數(shù)。

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圖3給出了鋪層方向?yàn)?/90/45/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知:第一層的最大等效應(yīng)力為0.117E9Pa;第二層的最大等效應(yīng)力為0.627E8Pa;第三層的最大等效應(yīng)力為0.747E8Pa;第四層的最大等效應(yīng)力為0.114E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知:層合板的第一層和最后一層的應(yīng)力最大,第二層的應(yīng)力最小。

圖4給出了鋪層方向?yàn)?/45/45/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知:第一層的最大等效應(yīng)力為0.114E9Pa;第二層的最大等效應(yīng)力為0.739E8Pa;第三層的最大等效應(yīng)力為0.749E8Pa;第四層的最大等效應(yīng)力為0.114E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知:層合板的第一層和最后一層的應(yīng)力最大,第二層的應(yīng)力最小。

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圖5給出了鋪層方向?yàn)?/90/90/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知:第一層的最大等效應(yīng)力為0.117E9Pa;第二層的最大等效應(yīng)力為0.635E8Pa;第三層的最大等效應(yīng)力為0.635E8Pa;第四層的最大等效應(yīng)力為0.116E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知:層合板的第一層和最后一層的應(yīng)力最大,第二層的應(yīng)力最小;鋪層方向角相同的層其最大等效應(yīng)力也相同。