多尺度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

摘 要：由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，因此逐漸應(yīng)用于工程實(shí)踐中。但纖維方向?qū)Σ牧系恼w力學(xué)性能有很大影響，急需深入研究。文章采用數(shù)值仿真計(jì)算和文獻(xiàn)綜述的方法，對(duì)不同方向的纖維復(fù)合材料進(jìn)行了模擬。在Digimat中構(gòu)建不同纖維方向或在Moldflow上設(shè)置特定纖維方向，并在ANSYS中建立結(jié)構(gòu)模型。之后，將Digimat與ANSYS連接，纖維方向被賦予宏觀結(jié)構(gòu)上，通過(guò)ANSYS中進(jìn)行計(jì)算，分析仿真結(jié)果。文章以懸臂梁受均布荷載為例，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以Von-Mises應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行討論。計(jì)算結(jié)果顯示玻璃纖維材料能夠提高整體結(jié)構(gòu)性能，并在一定方向時(shí)，懸臂梁呈現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：Digimat；ANSYS；纖維增強(qiáng)復(fù)合材；纖維方向

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）16-0026-02

Abstract： Because fiber reinforced composites have the characteristics of light weight and high strength， they are gradually applied in engineering practice. However， the direction of the fiber has a great impact on the overall mechanical properties of the material， which needs to be studied in depth. In this paper， numerical simulation and literature review are used to simulate the fiber composites in different directions. Different fiber directions were constructed in Digimat or specific fiber directions were set on Moldflow， and structural models were established in ANSYS. After that， the Digimat is connected with the ANSYS， and the fiber direction is assigned to the macroscopic structure. The simulation results are analyzed through the calculation in ANSYS. With beam as an example， the whole structure is analyzed， and the stress distribution of Von-Mises is discussed. The results show that the glass fiber material can improve the overall structural properties， and in a certain direction， the cantilever beam presents better mechanical properties.

Keywords： Digimat； ANSYS； fiber reinforced composite； fiber direction

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐疲勞等特性，近年來(lái)，其力學(xué)行為問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重要研究方向。2015年，Mortazavian和Fatemi[1]綜述了近年來(lái)短纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（SFRPC）的疲勞及破壞行為相關(guān)研究，討論了與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的循環(huán)加載、應(yīng)力集中等一系列問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)及建模問(wèn)題。2013年，Yalin Yu和Jinrui Ye等人[4]研究了超聲波與帶孔洞增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)系，使用DIGIMAT-FE建立了含孔洞的中尺度復(fù)合材料模型，通過(guò)ABAQUS/Explicit將超聲激勵(lì)加載到模型中，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模擬方法的正確性。本文中，以玻璃纖維與一種彈塑性材料基底為例，通過(guò)Digimat-MF建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微觀模型RVE，并經(jīng)與ANASYS耦合完成結(jié)構(gòu)宏觀建模與受力分析。

1 多尺度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

1.1 微觀結(jié)構(gòu)

微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料整體性能產(chǎn)生極大影響。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究基礎(chǔ)：代表性體積單元（Representative Volume Element簡(jiǎn)稱RVE）成為其結(jié)構(gòu)研究中的重要部分。RVE可準(zhǔn)確表現(xiàn)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料取向、纖維組成等方面，并采用均質(zhì)化方法將復(fù)合材料進(jìn)行均質(zhì)化處理并計(jì)算。本文中，RVE由玻璃纖維相和彈塑性材料基底兩種材料共同組成。該材料在承受荷載作用時(shí)，兩種不同相表現(xiàn)出不同的受力和變形狀態(tài)。

Digimat是一款多尺度仿真建模軟件，用于研究各向異性復(fù)合材料，并可通過(guò)逆向工程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合接近[5]。Digimat-MF模塊基于Mori-Tanaka理論對(duì)代表性體積單元進(jìn)行均質(zhì)化，并可自行生成RVE[7]。第一步，RVE被分解成有限個(gè)單向偽晶粒，并基于Mori-Tanaka理論均化各個(gè)偽顆粒。在第二步中，通過(guò)Voigt模型，將偽晶粒的RVE均化為完全均質(zhì)材料。

1.2 宏觀結(jié)構(gòu)

本文選擇玻璃纖維和彈塑性材料為基底的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行研究。為了對(duì)材料進(jìn)行全面研究，選取了玻璃纖維體積比為15%的成分組成。纖維取向從0°到90°變化，具體分布見表2。為了對(duì)不同纖維方向結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，仍以玻璃纖維和彈塑性材料為復(fù)合材料組成基礎(chǔ)，本文討論了四個(gè)不同纖維方向的懸臂梁結(jié)構(gòu)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了討論。

由表3仿真計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)纖維方向?yàn)?0°時(shí)，有最大應(yīng)力值及最小應(yīng)力值，證明該懸臂梁上應(yīng)力分布不均勻。當(dāng)纖維方向?yàn)?°時(shí)，此時(shí)應(yīng)力處于較為均勻狀態(tài)但應(yīng)力值較大。纖維方向?yàn)?5°和90°時(shí)，應(yīng)力值較小且較為均勻，更適合于工程實(shí)踐。在布置纖維方向時(shí)，可有多種結(jié)構(gòu)，以上4種方式僅為實(shí)例，具體如何選擇仍需后續(xù)研究。

除在內(nèi)部設(shè)置纖維方向外，Digimat-MF提供了映射功能，可將Moldflow注塑形成的纖維方向映射到結(jié)構(gòu)中。本文以ANSYS為計(jì)算工具，對(duì)懸臂梁受均布荷載情況進(jìn)行了研究，得到結(jié)果如圖1（a）所示。為更加精確研究玻璃纖維復(fù)合材料，本文將Moldflow預(yù)注塑形成的纖維方向映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，從而對(duì)特殊纖維方向結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果如圖1（b）所示。

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可知，未映射纖維時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與映射纖維后的應(yīng)力分布差距較大，且整體力學(xué)性能有所改善。對(duì)于特殊材料，纖維方向難以設(shè)置，可先經(jīng)由Moldflow等軟件完成，再進(jìn)行后續(xù)力學(xué)分析。

2 結(jié)束語(yǔ)

本模型采用玻璃纖維與彈塑性基底的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，研究了不同纖維方向的微觀RVE對(duì)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響。通過(guò)懸臂梁算例分析可看出，加入纖維材料時(shí)，結(jié)構(gòu)整體受力性能得到提升。當(dāng)纖維方向在某一范圍時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗拉和抗壓性能達(dá)到均勻且較高水平。因此，本算例對(duì)含有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工程結(jié)力學(xué)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，對(duì)今后工程實(shí)踐有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mortazavian S， Fatemi A. Fatigue behavior and modeling of short fiber reinforced polymer composites including anisotropy and temperature effects[J]. International Journal of Fatigue， 2015，77：12-27.

[2]Yu Y， Ye J， Wang Y， et al. A mesoscale ultrasonic attenuation finite element model of composites with random-distributed voids[J]. Composites Science & Technology， 2013，89（89）：44-51.

[3]何立，毛笑笑，周開發(fā).復(fù)合材料建模平臺(tái)Digimat應(yīng)用研究進(jìn)展綜述[J].建材與裝飾，2017（4）.

[4]Lindhult J， Ljungberg M. Fatigue analysis of anisotropic short fibre reinforced polymers-by use of Digimat and nCode DesignLife[J].2015.