不同芯材增強材料抗壓性能比較的有限元計算

宋孝浜， 王春霞， 金利民

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003； 2. 中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204； 3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

?

不同芯材增強材料抗壓性能比較的有限元計算

宋孝浜1， 王春霞1， 金利民2，3

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003； 2. 中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204； 3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

為了分析不同芯材對 “O”形芯材增強復(fù)合材料抗壓能力的影響，通過有限元計算，比較樹脂、玻璃纖維、鐵質(zhì)3種芯材增強復(fù)合材料在相同壓力作用下的力學(xué)行為。通過對比與分析材料撓度隨時間的變化曲線、質(zhì)量大小、應(yīng)力分布及受力均衡性等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力分布的對稱性與承力均衡性對材料抵抗外力有利，即使其能夠吸收較多的能量并產(chǎn)生較小的變形。此外，綜合考慮抗壓能力、承力均衡性以及輕質(zhì)化等方面的要求，不應(yīng)選用樹脂或鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料，而應(yīng)選用玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料。

芯材； 復(fù)合材料； 抗壓； 有限元

近年來，隨著高性能纖維材料與材料制備技術(shù)的飛速發(fā)展，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已經(jīng)受到科研人員的日益重視并得到廣泛應(yīng)用，儼然已成為新型材料領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。在此類復(fù)合材料諸多優(yōu)異的性能指標(biāo)中，輕質(zhì)高強是其最為顯著的優(yōu)勢。一直以來，各種類型的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因卓越的輕質(zhì)高強性能展示出了巨大的應(yīng)用潛力，已在國民生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域(如車輛、船舶、體育器材等[2-3])成為常規(guī)金屬材料的優(yōu)良替代品。而如何設(shè)計、制備出質(zhì)量更輕、強度更大的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，更是材料領(lǐng)域廣大科技人員的目標(biāo)。

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的輕質(zhì)化和高強度受到各組成相的制約，主要影響因素包括：增強相與基體相原材料的選擇及搭配、增強相結(jié)構(gòu)、各組分含量等[4-5]。理清并解決好以上問題后，通過科學(xué)合理的設(shè)計以爭取在輕質(zhì)化的同時，能夠使材料達到更高的強度。目前已進行了探究復(fù)合材料輕質(zhì)化與高強化方法的一系列工作[6-7]。增強相結(jié)構(gòu)因素對復(fù)合材料的性能也具有一定的影響，如纖維取向角、預(yù)制體結(jié)構(gòu)、芯材高度等[8-10]?，F(xiàn)有研究成果給出了一些減輕材料質(zhì)量、提高材料強度的方法。然而，鑒于某些情況下，對復(fù)合材料輕質(zhì)化與高強化2方面的同時要求會導(dǎo)致設(shè)計上的矛盾。故應(yīng)該在綜合考慮2方面因素的基礎(chǔ)上，尋求最合適的材料搭配與結(jié)構(gòu)以制備最佳的材料。

本文運用有限元計算方法分析不同芯材對 “O”形中空復(fù)合材料抗壓能力的影響。通過對比與分析材料撓度隨時間的變化曲線、質(zhì)量大小、應(yīng)力分布及受力均衡性等指標(biāo)闡述芯材的選擇對復(fù)合材料抗壓能力以及輕質(zhì)化的影響，為輕質(zhì)高抗壓復(fù)合材料的設(shè)計提供有益的探索。

1 材料與模型

1.1 材 料

圖1示出“O”形芯材增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。由圖可見，材料由處于內(nèi)部的“O”形芯材增強體與包覆于外部的不飽和聚酯樹脂基體構(gòu)成，類似于皮芯結(jié)構(gòu)型材料。即可認(rèn)為以“O”形中空材料(本文中為不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維以及鐵)為“芯”，以不飽和聚酯樹脂為“皮”。其中，作為骨架材料的“O”形芯材一般是材料承載的核心部分，作為基體的樹脂則具有固結(jié)增強相與傳遞載荷的作用。表1列出本文研究所用的各種材料的規(guī)格。

圖1 “O”形芯材增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of O-shaped core reinforced composite

1.2 有限元模型

有限元模型如圖2所示。利用有限元分析軟件ABAQUS(版本：6.10)，32位版本W(wǎng)indows XP操作系統(tǒng)，根據(jù)材料結(jié)構(gòu)及壓力載荷的對稱性特點，建立“O”形芯材增強復(fù)合材料的1/2細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型。對于網(wǎng)格設(shè)置，根據(jù)模型尺寸參數(shù)(圖3)，確定網(wǎng)格格距。在短邊、邊角等處劃分較多的網(wǎng)格，保證網(wǎng)格的合理精細(xì)度。此外，采用規(guī)則的C3D8R六面體單元，此類型的單元規(guī)整度好，計算的速度與精確度也較高。圖3(a)示出模型的網(wǎng)格化效果，圖3(b)示出載荷和邊界條件，如材料上表面被施加100 MPa的壓力，下端面的自由度被完全固定。

表1 材料規(guī)格

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model.(a) Mesh scheme; (b) Loading and boundary conditions

圖3 復(fù)合材料1/2細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型圖Fig.3 1/2 micro-structural model of composite.(a) Front view; (b) Side view

2 結(jié)果與討論

2.1 撓度-時間曲線

圖4示出材料特殊點的撓度變化歷程。為說明不同芯材對材料抗壓性能的影響，如圖4(a)所示，將每種材料以芯材為界分為a區(qū)、b區(qū)2部分，且分別在這2部分上取特殊點A、點B。圖4(b)示出壓力作用下3種不同芯材增強復(fù)合材料的A、B2點的撓度隨時間的變化曲線。

圖4 材料特殊點的撓度變化歷程Fig.4 Deflection history of specific nodes.(a) Locations of nodes A and B; (b) Deflection-time curves

從圖4可看出，對于A點，按照撓度變化量的大小順序，樹脂芯材增強復(fù)合材料的撓度在短時間(0.27 s)內(nèi)即發(fā)生大幅度的變化，達到0.56 mm；其次是玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料，其撓度變化速率較樹脂芯材增強復(fù)合材料小得多，總變化量(0.11 mm)也??；再次是鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料，其撓度變化速率最為緩和，變化量(0.06 mm)也最小。同樣地，對于B點，3種復(fù)合材料的撓度呈現(xiàn)出基本相似的變化速率與變化量。但與其他2種復(fù)合材料相比，鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料的撓度變化最小。由此可見，3種材料中，鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料的抗壓性能為最佳。這是因為在其余條件(材料結(jié)構(gòu)、邊界條件、受力條件等)相同的情況下，不同芯材增強復(fù)合材料抗壓能力的大小主要取決于芯材材質(zhì)的選擇。由于鐵質(zhì)芯材的力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維或樹脂芯材，提高了材料整體的抗壓強度，故撓度較小。

為說明芯材對復(fù)合材料抗壓能力的貢獻，將每種復(fù)合材料上A、B2點的撓度變化情況進行比較。從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)：對于樹脂芯材增強復(fù)合材料，其A點的撓度變化速率與變化量遠高于B點，說明樹脂芯材的存在不僅不能改善材料的抗壓能力，反而會降低材料的抗壓性能，即對材料抗壓能力產(chǎn)生了“負(fù)”貢獻，應(yīng)該在實際應(yīng)用中加以避免。而對于玻璃纖維芯材或鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料而言，A點的撓度變化速率與變化量均比B點的小，即說明這2種芯材都可改善材料的抗壓能力。但值得提出的是：相比于玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料，隨著施載時間的延長，鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料A、B這2點的撓度變化差異將會越來越大，表現(xiàn)為材料受力表面的抗力不均勻性將越發(fā)顯著，從而影響材料的抗壓效果與持久性。

2.2 質(zhì)量比較

根據(jù)表1示出的材料性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸，計算出每種芯材增強復(fù)合材料的質(zhì)量，結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合材料質(zhì)量

從表2可發(fā)現(xiàn)，樹脂芯材增強復(fù)合材料的質(zhì)量最小，玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料的質(zhì)量較大，而鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料的質(zhì)量最大。進一步地，前二者的質(zhì)量相差較小，約為35.8 mg，即在相同條件下，玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料比樹脂芯材增強復(fù)合材料約重35.8 mg。將這2種材料分別與鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料相比，可發(fā)現(xiàn)非常顯著的差異，即2種材料較之分別約輕202.22 mg與166.42 mg。因此，從高抗壓能力與輕質(zhì)化要求上考慮，不應(yīng)該選用樹脂芯材或鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料，而應(yīng)選用玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料。

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

為了闡述“O”形芯材增強復(fù)合材料吸能的機制，考察其在壓力載荷下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of structural stress of composites.(a) Resin core (t=0.27 s); (b) Glass-fiber core (t=0.5 s); (c) Metal core (t=0.5 s)

從圖5可看出：對于3種材料，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位都處于芯材的中間部位(圖中箭頭指示區(qū)域)。尤其是對于玻璃纖維芯材與鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料，應(yīng)力集中現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)上處于較為完美的對稱狀態(tài)，保證了材料上、下2部分的受力均衡性。這種對稱性與均衡性對結(jié)構(gòu)的整體承力有利，使其能夠吸收較多的能量，從而導(dǎo)致較小的壓縮變形。

從圖5還可較為形象地考察復(fù)合材料受壓面的變形情況。對于樹脂芯材增強復(fù)合材料，其受壓面呈現(xiàn)“邊高中低”的傾斜狀態(tài)，說明由于力學(xué)性能較弱的樹脂芯材的存在，材料邊端部分的抗壓能力明顯好于中間部分。這種承力不均衡性易導(dǎo)致施載過程中受力“失穩(wěn)”現(xiàn)象的發(fā)生，對材料承力尤為不利。反之，再考察另外2種材料，由于性能較好的玻璃纖維或鐵質(zhì)芯材的存在，受壓面無明顯的傾斜態(tài)勢(實際上呈現(xiàn)了輕微的“邊低中高”)，很好地維持了承力均衡性，從而產(chǎn)生較小的變形。此現(xiàn)象與2.1小節(jié)所述內(nèi)容一致。

3 結(jié) 論

1)對于壓力作用下的不同“O”形芯材增強復(fù)合材料，樹脂芯材增強復(fù)合材料的變形最大；其次是玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料，其撓度較前者的小得多；而鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料的變形最小。

2)樹脂芯材的存在會降低材料的抗壓性能，而玻璃纖維芯材或鐵質(zhì)芯材都可改善材料的抗壓能力。此外，鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料受力面的抗力不均勻性較為顯著，影響抗壓效果與持久性。

3)從高抗壓能力與輕質(zhì)化要求上考慮，不應(yīng)選用樹脂芯材或鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料，而應(yīng)選用玻璃纖維芯材增強復(fù)合材料。

4)對于玻璃纖維芯材與鐵質(zhì)芯材增強復(fù)合材料，應(yīng)力集中現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)上處于較為完美的對稱狀態(tài)，保證了材料上、下2部分的受力均衡性。這種對稱性與均衡性對結(jié)構(gòu)的整體承力有利，使其能夠吸收較多的能量，從而導(dǎo)致較小的壓縮變形。

[1] MOURITZ AP, BANNISTER MK, FALZON PJ, et al. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites[J]. Composites Part A, 1999, 30: 1445-1461.

[2] 王宏雁, 周升波. 復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用[J]. 汽車研究與開發(fā), 2005 (9):20-23. WANG Hongyan, ZHOU Shengbo. Application of composites on light weight automobiles[J]. Automobile Research & Development, 2005 (9): 20-23.

[3] 張國騰, 陳蔚崗, 唐桂云. 復(fù)合材料輕量化技術(shù)在艦船制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 纖維復(fù)合材料, 2010 (1):31-35. ZHANG Guoteng, CHEN Weigang, TANG Guiyun. Application of light weight composite technology in manufacturing ship[J]. Fiber Composites, 2010 (1): 31-35.

[4] 李福強, 陳福林, 岑蘭, 等. 短纖維種類和用量對短纖維/EPDM復(fù)合材料物理性能的影響[J]. 橡膠工業(yè), 2011, 58(3):163-166. LI Fuqiang, CHEN Fulin, CEN Lan, et al. The effects of categories and usage of short fibers on physical properties of short fiber/EPSM composite[J]. Rubber Industry, 2011, 58(3): 163-166.

[5] 姚力軍, 耿林, 姚忠凱. 基體合金種類對SICw/AI復(fù)合材料拉伸性能的影響[J]. 材料科學(xué)與工藝, 1993, 1(1):23-27. YAO Lijun, GENG Lin, YAO Zhongkai. The influence of matrix alloy on the tensile property of SiCw/AL composite[J]. Material Science & Technology, 1993, 1(1):23-27.

[6] 何景軒, 何國強, 侯曉. 復(fù)合材料格柵圓柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 固體火箭技術(shù), 2009, 32(1): 87-89. HE Jingxuan, HE Guoqiang, HOU Xiao. Optimization design of composite cylindrical lattice structure[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2009, 32(1): 87-89.

[7] 曲微微, 俞建勇, 劉麗芳, 等. 可降解黃麻/PBS復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能[J]. 紡織學(xué)報, 2008, 29(8):52-55. QU Weiwei, YU Jianyong, LIU Lifang, et al. Structures and mechanical properties of biodegradable PBS composites reinforced by jute fiber[J]. Journal of Textile Research, 2008, 29(8):52-55.

[8] 丁辛. 復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的成型與彎曲特性[J]. 紡織學(xué)報, 1997, 18(6): 13-15. DING Xin. Formation of a composite beam and its flexural properties[J]. Journal of Textile Research, 1997, 18(6): 13-15.

[9] 鄭蕊, 徐征, 李旭嘉, 等. 不同針刺預(yù)制體結(jié)構(gòu)對C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 宇航材料工藝, 2012 (5): 26-29. ZHENG Rui, XU Zheng, LI Xujia, et al. Effect of needled preform structure on mechanical properties of C/C composite[J]. Aerospace Materials & Technology, 2012 (5): 26-29.

[10] 曹海建, 錢坤, 盛東曉, 等. 芯材高度對整體中空復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 上海紡織科技, 2010, 38(9): 54-57. CAO Haijian, QIAN Kun, SHENG Dongxiao, et al. Influence of core height on the mechanical properties of 3D integrated hollow composites[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2010, 38(9): 54-57.

Finite element calculation for comparison of compression resistance of different core reinforced materials

SONG Xiaobang1， WANG Chunxia1， JIN Limin2,3

(1.CollegeofTextilesandClothes,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224003,China;2.ShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201204,China;3.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to analyze the effect of different core materials on the compression resistance of the O-shaped core reinforced composites, the mechanical responses of three kinds of core materials of resin core and glass-fiber core as well as metal core reinforced composite under the same compression action were compared by the calculation using finite element analysis (FEA). By comparing and analyzing indexes of deflection-time curves, weight, stress distribution, and equilibrium degree of stress, it was found that both of the stress distribution symmetry and loading equilibrium were beneficial to the loading-bearing performance of the materials, even which can absorb more energy and generates relatively-small deformation. Furthermore, taking the requirements of compression resistance, loading equilibrium and light-weight into consideration, the glass-fiber core reinforced composite should be selected instead of resin or metal core reinforced composites.

core; composite; compression resistance; finite element

10.13475/j.fzxb.201501008805

2013-12-25

2014-04-25

宋孝浜(1969—)，男，教授，碩士。主要研究方向為紡織復(fù)合材料。金利民，通信作者，E-mail: lmjin@sinap.ac.cn。

TS 101.2

A