碳纖維復合材料有限元分析需要知道的參數（靜力學）

2017-01-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一般來說根據復合材料的特性,無論是碳纖維增強復合材料還是玻璃纖維增強復合材料,以及玄武巖、芳綸纖維蕓蕓,基本上都由兩大組成部分:Fibers、Matrix。

Fibres在復合材料的作用是提供剛度和強度,例如(碳,玻璃,等等)

碳纖維復合材料有限元分析需要知道的參數(靜力學)ansys仿真分析圖片1
此圖為Fibres大致結構

Matrix在復合材料的作用是保護Fibres并且使荷載可以在材料中傳遞。

因此FRP的機械性能主要由以下參數所決定:纖維及樹脂的種類、纖維含量、纖維排列方式。體現出的基本性質包括、強度、模量、斷裂伸長率、熱膨脹系數、泊松比等。

那么在有限元分析中由于有兩種材料:纖維及樹脂,所以需要分幾部分討論所需參數:

1.在纖維排布在徑向及法向的性能完全不同:因此需要知道纖維方向(1)和纖維法向(2、3)的兩個方向的參數,楊氏模量E1, E2=E3; 泊松比v12=v13, v23; 剪切模量G12=G13, G23 以及纖維體積分數,如果需要熱力學常數,還要加上熱膨脹系數。以T700為例:E1=230 GPa,E2=E3=15 GPa;G12=G13=24 GPa,G23=5.03 GPa;v12=v13=0.2,v23=0.25;

然而國產碳纖維性能變化較大,且由于試驗局限,無法得到準確不變的數值,故設定參數時需要確定所使用材料的參數來源可靠性及穩定性。

2.在基體樹脂方面,與纖維類似需要考慮樹脂的楊氏模量、剪切模量、體積分數,這幾個模量是直接影響結構剛度。

3.當兩種材料復合時,纖維復合材料并非各向同性,基本原則是:1) 沿纖維方向纖維的軸向應變和Matrix的應變是一樣的;2) 沿纖維橫斷方向纖維上的應力和Matrix的應力是一樣的。可以根據公式有纖維復合材料單向排列的楊氏模量(軸線、橫向),剪切模量;

實際應用中不可能總是單向纖維排列,需要一定角度組合排列,從而滿足實際使用要求。此時可通過Laminate Theory理論或者剛度陣得到纖維復合材料的參數。

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