復合材料是一種多相材料,由多種性質極不相同的材料組成。先進的復合材料在本世紀60年代初才發明,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合材料。
復合材料性能的可設計性,是復合材料所特有的主要優點。纖維復合材料是由兩種或兩種以上不同強度和模量的材料所構成,在纖維和基體材料選定后,尚有許多材料參數和幾何參數可變動,而且形成層合結構時每一層的鋪設方向又可隨意安排,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,本文研究了不同鋪層方式對其力學性能的影響規律。
1. 模型的建立與計算
如圖1所示,給出了層合板的有限元模型,在ansys有多個單元可以模擬復合材料,本文選取SHELL99單元來模擬層合板這個力學模型。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。
圖1層合板的有限元模型
圖2 層合板的有限元模型的載荷
本文的模型的計算邊界條件:四邊固定;在面上受到均勻的壓力其大小為1e5pa。表1給出了復合材料的性能參數。
圖3 鋪層方向0/90/45/0的各層的等效應力
圖3給出了鋪層方向為0/90/45/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.117E9Pa;第二層的最大等效應力為0.627E8Pa;第三層的最大等效應力為0.747E8Pa;第四層的最大等效應力為0.114E9Pa。從以上數據可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層的應力最小。
圖4給出了鋪層方向為0/45/45/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.114E9Pa;第二層的最大等效應力為0.739E8Pa;第三層的最大等效應力為0.749E8Pa;第四層的最大等效應力為0.114E9Pa。從以上數據可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層的應力最小。
圖4 鋪層方向0/45/45/0的各層的等效應力
圖5給出了鋪層方向為0/90/90/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.117E9Pa;第二層的最大等效應力為0.635E8Pa;第三層的最大等效應力為0.635E8Pa;第四層的最大等效應力為0.116E9Pa。從以上數據可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層的應力最小;鋪層方向角相同的層其最大等效應力也相同。
圖5 鋪層方向0/90/90/0的各層的等效應力
圖6 鋪層方向45/-45/45/-45的各層的等效應力
圖6給出了鋪層方向為45/-45/45/-45的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.125E9Pa;第二層的最大等效應力為0.639E8Pa;第三層的最大等效應力為0.638E8Pa;第四層的最大等效應力為0.125E9Pa。從以上數據可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層和第三層的等效應力最小。
圖7 鋪層方向90/45/-45/0的各層的等效應力
圖7給出了鋪層方向為90/45/-45/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.113E9Pa;第二層的最大等效應力為0.789E8Pa;第三層的最大等效應力為0.788E8Pa;第四層的最大等效應力為0.113E9Pa。從以上數據可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第三層的應力最小。
2結論
通過以上分析和計算可以得出以下結論:
(1) ansys可以處理復雜的復合材料力學問題。
(2) 在同種載荷和邊界條件下,不同的鋪層方向對其應力有顯著的影響,本文中鋪層方向:45/-45/45/-45的等效應力最大;鋪層方向為0/90/90/0的等效應力最小。這對實際的復合材料設計有一定的指導意義。
審核編輯:郭婷
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原文標題:基于ANSYS的鋪層方向對復合材料的力學影響分析【附直播鏈接】
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