碳纤维复合材料仿真
基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真
2020年12月第44卷第12期Vol.J4No.12Dec.202() MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGDOI:10.11973/jxgccl202012016基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真孟宪明',钟正S程从前2,曹铁山S赵杰2,黄亚烽-吴瑶2(1.中国汽车技术研究中心有限公司,天津300300;2.大连理工大学材料科学与工程学院,大连116024)摘要:通过准静态单轴拉伸试验和面内剪切试验获取力学性能参数,采用Ls-Dyna软件中的纤维增强复合材料渐进损伤模型和复合材料层合板连续损伤模型模拟碳纤维复合材料层合板在面内剪切载荷作用下的力学响应和破坏模式,对比了2种模型的适用性。
结果表明:在面内剪切过程中的初始线弹性阶段,2种模型都能较好地模拟出碳纤维复合材料层合板的力学特性。
随着载荷的持续增大,渐进损伤模型的载荷-位移仿真曲线依旧呈线性上升,到达载荷峰值后迅速下降,与试验曲线存在很大偏差;连续损伤模型由于引入了损伤参数,当材料出现损伤后.其载荷-位移仿真曲线呈非线性,与试验曲线吻合良好。
关键词:碳纤维复合材料;连续损伤模型;渐进损伤模型;损伤参数中图分类号:TB332文献标志码:A文章编号:1000-3738(2020)12-0085-06Finite Element Simulation of In-plane Shear of Carbon Fiber ReinforcedPlastic Laminates with Two Material Models of LS-DYNA SoftwareMENG Xianming1.ZHONG Zheng2.CHENG Congqian2,CAO Tieshan2.ZHAO Jie2,HUANG Yafeng*,WU Yao2(1.China Automotive Technology&Research Center Co.,Ltd.,Tianjin300300,China;2.School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technology»Dalian116024,China)Abstract:The progressive failure model of fiber reinforced plastics and the continuous damage model of composite laminate of the Ls-Dyna software were applied to simulate the mechanical response and damage modes of carbon fiber reinforced plastic laminates under in-plane shear loads,with the mechanical parameters obtained by quasi-static uniaxial tensile and in-plane shear tests.The applicability of the two models was compared.The results show that in the initial linear elastic stage during in-plane shearing,the two models could simulate the mechanical characteristics of the carbon fiber r&nforced plastic laminates.As the load continued to increase,the loaddisplacement simulation curve obtained by the progressive failure model still rose linearly,and dropped rapidly after reaching the load peak;the simulation curve had a large deviation from the test curve.When the material was damaged,because of the introduction of damage parameters,the load-displacement simulation curve obtained by the continuous damage model was nonlinear,which was in good agreement with the test curve.Key words:carbon fiber reinforced plastic;continuous damage model;progressive failure model;damage parameter收稿日期:2020-08-05;修订日期:2020-11-27基金项目:国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项项目(2O16YFBO1O16O2)作者简介:孟宪明(1980—),男,山东济南人,高级工程师•博士通信作者:赵杰教授0引言碳纤维复合材料(CFRP)作为一种比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能较强的轻量化材料,广泛应用于汽车、航空航天、军工武器、高速动车等方面口切。
CFEP复合材料的热学和力学性能仿真
第48卷第12期2020年12月塑料工业CHINAPLASTICSINDUSTRYCF/EP复合材料的热学和力学性能仿真∗王㊀瑶ꎬ伍㊀斌ꎬ夏㊀茹ꎬ钱家盛ꎬ陈㊀鹏∗∗(安徽大学化学化工学院ꎬ安徽合肥230601)㊀㊀摘要:为了降低碳纤维/树脂基体复合材料的生产和应用成本ꎬ采用模拟仿真技术研究了短切碳纤维与环氧树脂的复合体系ꎮ通过控制短切碳纤维的取向分布状态ꎬ碳纤维在环氧树脂基体中的平铺结构和交错结构两种状态进行仿真ꎬ研究了复合材料的力学和热学性能ꎮ研究发现ꎬ具有碳纤维平铺结构的复合材料呈现各向异性的特点ꎬ具有交错结构的复合材料在面内具有各向同性的特点ꎮ关键词:环氧树脂ꎻ碳纤维ꎻ有限元ꎻ复合材料中图分类号:TQ323 5㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1005-5770(2020)12-0155-05doi:10 3969/j issn 1005-5770 2020 12 032开放科学(资源服务)标识码(OSID):SimulationonThermalandMechanicalPropertiesofCarbonFiber/EpoxyCompositesWANGYaoꎬWUBinꎬXIARuꎬQIANJia ̄shengꎬCHENPeng(SchoolofChemistryandChemicalEngineeringꎬAnhuiUniversityꎬHefei230601ꎬChina)Abstract:Inordertoreducetheproductionandapplicationcostofcarbonfiber/epoxycompositesꎬthecompositesystemofshortcarbonfiber(CF)andepoxyresinwasstudiedbysimulation.TheshortcarbonfiberswerearrangedintotwostatesinEPmatrixꎬwhichwerealignedstructureandcrossedstructure.Themechanicalandthermalpropertieswerestudiedindetails.ItisclearlyobservedthatcompositeswithalignedstructureofCFexhibitanisotropiccharacteristicsꎬandcompositeswithcrossedstructureofCFshowsisotropiccharacteristicsinthein ̄plane.Keywords:EpoxyResinꎻCarbonFiberꎻFiniteElementꎻComposites聚合物基碳纤维复合材料的常规加工工艺是:利用碳纤维良好的韧性和可纺性ꎬ加工成碳纤维布ꎬ之后与聚合物基体复合ꎬ模塑成型后加热固化ꎮ这种工艺方法依赖人工对复合材料的操作与处理ꎬ效率低ꎬ加工成本昂贵ꎬ且制品的质量稳定性受操作过程的影响[1-2]ꎮ此外ꎬ编织成二维布的碳纤维之间结合力较低ꎬ在受力或其他环境作用下ꎬ容易产生破坏应力集中点ꎬ造成部件的失效ꎮ降低聚合物基碳纤维复合材料的加工成本㊁提高材料的稳定性ꎬ是开发聚合物基碳纤维复合材料的重要方向[3]ꎮ研究者探索了多种碳纤维和聚合物的复合工艺ꎬ例如ꎬ利用短碳纤维与碳纤维布复合[4-5]ꎻ碳纤维丝层压等[6-7]ꎮ与碳纤维布的编织和浸渍工艺相比ꎬ碳纤维丝的层压技术工艺简单ꎬ可以采用机器连续操作ꎬ具有重要的发展前景ꎮ目前ꎬ国内外学者对碳纤维(CF)/环氧树脂复合材料的热力学性能进行了深入的研究ꎮPapathanasiou等[8]测试了纤维体积分数㊁长度㊁长宽比和取向等参数对/EP等效拉伸模量的影响ꎮ使用的CF的直径和长度分别是8μm和0 15~3mmꎬ纤维长宽比在25~120之间ꎬ纤维体积分数为0 4%~17%ꎮ结果表明ꎬ杨氏模量随纤维体积分数的增大而增大ꎬ随纤维长度和长宽比的增大而减小ꎮ当纤维体积分数和长宽比一定时ꎬ随机纤维复合材料的杨氏模量小于准直纤维复合材料ꎮ准直纤维复合材料沿纤维方向的刚度约为随机纤维复合材料的1 91倍ꎮShi ̄mamoto等[9]研究了纤维取向对SCF/EP复合材料抗弯强度和模量的影响ꎬ复合材料中纤维体积分数为20%ꎬCF的平均长度为3mmꎮ在研究过程中ꎬ0ʎ~10ʎ的角范围内ꎬ纤维取向率为71%ꎮ结果表明ꎬ复合材料具有一定的塑性性能ꎬ且SCF/EP复合材料的弯曲模量为16GPaꎬ弯曲强度为211MPaꎬ均为随机551 ∗国家重点研发计划项目(2017YFB0406204)∗∗通信作者:陈鹏ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ研究方向为高分子理论计算与模拟以及高分子化学反应动力学ꎮchpecp@126 com作者简介:王瑶ꎬ女ꎬ1995年生ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向为计算机模拟复合材料的导热性能ꎮwangyao_689@163 com塑㊀料㊀工㊀业2020年㊀㊀取向复合材料的2倍左右ꎮAhmadi等[10]用有限元方法研究了碳纤维界面特征㊁碳纤维体积分数㊁取向㊁各种排列方式等对增强多相复合材料热导率的影响ꎬ建立了由碳纤维㊁基体以及界面组成的三相代表性体积元的连续体模型ꎮ结果表明ꎬ界面热导率和界面厚度对横向热导率的影响最大ꎬ且有一定的临界界面热导率ꎻ同时碳纤维倾角增加ꎬ多相复合材料的纵向热导率减小ꎬ横向热导率增大ꎮDeng等[11]提出了碳纤维复合材料导热性增强的解析模型ꎬ该模型考虑了碳纤维的体积分数㊁导热性各向异性㊁纵横比㊁非直线性和界面热阻的影响ꎬ预测结果与实验数据吻合良好ꎮ本项研究采用有限元模拟方法ꎬ分析短切碳纤维(连续碳纤维丝切断成短纤维状)与聚合物基体的复合状态对材料力学和导热等性能的影响规律ꎬ从理论上预测碳纤维聚合物复合材料物理力学性能的主要影响因素ꎬ探讨了利用短切碳纤维与聚合物基体直接复合制备高性能复合材料的可能性ꎮ我们的模拟研究可以帮助实验研究和设计新型聚合物基碳纤维复合材料ꎮ1㊀模型与方法目前ꎬ有许多应用有限元方法分析和计算材料体系的物理性能的仿真软件ꎮ其中Exstream公司推出的Digimat软件适用于对复合材料进行分析计算ꎬ可以预测纤维㊁纤维编织物等填料在各种高分子和陶瓷等基体中的分布状态和物理性能ꎮ本文采用该软件分析短切碳纤维在环氧树脂基体中的分布状态和力学等物理性能之间的关系ꎮa-CF/EP平铺结构b-CF/EP交错结构方形内的条纹代表碳纤维在环氧树脂中的分布状态ꎮ图1㊀CF/EP复合材料仿真模型的结构设计Fig1㊀StructuraldesignofCF/EPcompositematerialsimulationmodel为了替代碳纤维编织布增强环氧树脂基体ꎬ基于实验中的层压法ꎬ本文设计了两种易于制备的CF/环氧树脂(EP)复合材料ꎮ一种是将四层短切碳纤维平铺在环氧树脂基体中ꎬ每一层中ꎬ短切碳纤维沿同一方向取向ꎬ且短切碳纤维之间互不交叉接触ꎬ形成如图1a所示的平铺CF/EP复合材料ꎬ简称平铺结构复合材料ꎻ另一种是将四层短切碳纤维以图1b所示的角度交错排列在环氧树脂基体中ꎬ简称交错结构复合材料ꎮ建模过程中ꎬ首先生成代表CF在EP中取向分布的单层结构ꎬ之后根据两种模型ꎬ将四个单层结构以相同或者不同的角度组合起来ꎮ该模型中ꎬ设定CF和EP㊁层和层之间的界面被视为相互连接的独立表面ꎬ进而不考虑它们之间的热阻ꎮ图2所示是Digimat所建立的计算模型ꎮa-平铺结构b-交错结构图2㊀CF/EP复合材料的仿真模型Fig2㊀SimulationmodelofCF/EPcompositematerial模拟体系选择周期性边界条件ꎬ短切碳纤维的直径设为7μmꎬ长度根据长径比不同而变化ꎮ在CF/EP复合材料中ꎬCF质量分数为20%ꎮ仿真CF/EP复合材料性能的其他参数如表1所示:表1㊀仿真过程中选用的材料参数Tab1㊀Materialparametersselectedinthesimulationprocess参数碳纤维环氧树脂密度/(kg/m3)18001400比热容/[J/(kg K)]7501000横向导热系数/[W/(m K)]35 0181 45面内导热系数/[W/(m K)]0 178横向杨氏模量/GPa2303 45面内杨氏模量/GPa403 45面内泊松比0 30 35横向泊松比0 250 35横向剪切模量/GPa15 4横向热膨胀系数/K-1-5 5ˑ10-72 44ˑ10-5面内热膨胀系数/K-11ˑ10-52㊀结果与讨论2 1㊀力学性能研究首先研究两种模型的力学性能ꎮ设定体系温度为25ħꎬ对复合材料施加拉伸和剪切两种不同的应力后ꎬ探究复合材料的杨氏模量(E)㊁剪切模量和泊松比的变化情况ꎮE和应力(σ)与应变(ε)有关:σ=Eεꎮ若是考虑到σ=F/Aꎬε=ΔL/Lꎬ可得:F/A=E(ΔL/L)(1)651第48卷第12期王㊀瑶ꎬ等:CF/EP复合材料的热学和力学性能仿真式中ꎬF-作用力ꎬNꎻA-受力面积ꎬm2ꎻΔL-长度的微小变化量ꎻL-长度ꎬmꎮ剪切模量的定义为剪切应力和剪切应变的比率ꎬ公式为:G=τxy/γxy=F/AΔX/L=FL/AΔX(2)式中ꎬG-剪切模量ꎬGPaꎻτxy-剪切应力ꎬGPaꎻγxy-剪切应变ꎻA-作用力的表面积ꎬm2ꎻΔX-横向位移ꎬmꎻL-初始长度ꎬmꎮ泊松比是指材料在单向受拉或受压时ꎬ横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值ꎬ它是反映材料横向变形的弹性常数ꎮ若定义为在弹性范围内加载ꎬ则定义泊松比的计算公式为:εx=-νεy(3)式中ꎬεx-横向应变ꎻεy-纵向应变ꎻν-泊松比ꎮa-平行于CF取向方向的拉伸应力b-平行于CF取向方向的剪切应力c-垂直于CF取向方向的剪切应力图3㊀CF/EP复合材料力学性能测试示意图Fig3㊀SchematicdiagramofCF/EPcompositemechanicalpropertiestesting在测试体系的杨氏模量时ꎬ沿着短切碳纤维在环氧树脂基体中的取向方向(x方向)拉伸复合材料(图3a)ꎮ在测试体系的剪切模量时ꎬ设定平行和垂直CF取向方向的两种剪切力ꎬ得到横向剪切模量Gxz(剪切力平行于碳纤维取向方向)和面内剪切模量Gyz(剪切力垂直于碳纤维取向方向)两种剪切模量ꎬ如图3b㊁cꎮ在计算体系的泊松比时ꎬ同样测试了垂直(面内泊松比νyz)和平行(横向泊松比νxz)方向的泊松比系数ꎮ研究中分别考察了短切碳纤维的长径比对两种模型力学性能的影响ꎬ结果如图4和图5所示ꎮ从图4和图5可知ꎬ短切碳纤维的长径比对复合材料的力学性能影响不大ꎬ这是因为受模拟体系尺寸的影响ꎬ短切碳纤维的长度变化区间狭窄ꎮ然而ꎬ短切碳纤维的分布状态对CF/EP复合材料的力学性能有重要的影响ꎮ由于平铺结构中ꎬCF在EP基体中的分布呈现各向异性特征ꎬ图4中ꎬ复合材料的力学性能表现出明显的各向异性的特征ꎮ例如ꎬ沿着x方向(拉伸方向)的杨氏模量(Ex)ꎬ远高于沿着y和z方向的杨氏模量(Ey㊁Ez)ꎮ面内和横向两种剪切模量由较大的差异面内和横向的泊松比也如此ꎮ在交错结构中ꎬ平面方向的碳纤维在x和y方向均匀排列ꎮ如图5a所示ꎬ复合材料在x和y方向的杨氏模量略有偏差ꎬ但都明显高于z方向的杨氏模量ꎮ复合材料的面内剪切模量(Gxz)和横向剪切模量(Gyz)相差不大ꎬ面内泊松比(vxz)和横向泊松比(vyz)也相差不大ꎮab图4㊀CF/EP平铺结构ꎬ碳纤维长径比对力学性能的影响Fig4㊀CF/EPtilestructureꎬtheeffectofcarbonfiberlength ̄diameterratioonmechanicalproperties对比图4和图5可以发现ꎬ碳纤维的分布状态对复合材料的力学性能有重要的影响ꎮ短切碳纤维沿着一个方向分布的平铺结构ꎬ有利于提高CF/EP复合材料的各向异性特征ꎬ在碳纤维取向分布方向ꎬ材料的杨氏模量㊁剪切模量和泊松比远高于其他方向的数751塑㊀料㊀工㊀业2020年㊀㊀值ꎮ交错分布的短切碳纤维ꎬ有利于提高CF/EP复合材料的整体物性ꎮ在实际应用中ꎬ人们可以根据材料的应用需求设计和优化短切碳纤维的分布状态达到对材料力学性能的精确调控ꎮab图5㊀CF/EP交错结构ꎬ碳纤维长径比对力学性能的影响Fig5㊀CF/EPstaggeredstructureꎬtheeffectofcarbonfiberlength ̄diameterratioonmechanicalproperties2 2㊀热学性能研究如图6所示ꎬ为了研究CF/EP复合材料的热学性质ꎬ在模型的两端设置温度梯度场(ΔT=300K)ꎬ计算复合材料的导热系数和热膨胀系数ꎮ图6㊀CF/EP复合材料热学模型的温度分布图Fig6㊀TemperaturedistributiondiagramofCF/EPcompositethermalmodel在瞬态温度场T(xꎬyꎬzꎬt)下ꎬ体系导热系数的计算有限元微分方程如下:∂∂xkx∂T∂x()+∂∂yky∂T∂y()+∂∂xky∂T∂z()+ρQ=ρcT∂T∂t(4)式中ꎬT-温度ꎻρ-材料密度ꎬkg/m3ꎻcT-瞬态温度场下的材料比热ꎬJ/(kg K)ꎻkx㊁ky㊁kz-分别代表沿x㊁y㊁z方向的导热系数ꎻQ-物体内部的热源强度ꎻt-时间ꎮ在实际计算中ꎬ为了研究热传导的各向异性ꎬ分别在x㊁y和z三个方向施加温度梯度场ꎬ分别计算三个方向上的导热系数ꎮ混合短纤维复合材料线膨胀系数计算式如下[12]:αc=12EmVmαm+EfVfαfEmVmEfVf(1-νc)+12(1+νm)αmVm+12(1+νf)αfVf(5)式中ꎬαc-热膨胀系数ꎬK-1ꎻE-弹性模量ꎬGPaꎻV-体积分数ꎻν-泊松比ꎻ下标f㊁m㊁c-分别代表纤维㊁基体和复合材料ꎮ图7㊀碳纤维长径比对CF/EP复合材料热传导性能的影响Fig7㊀Theeffectofcarbonfiberlength ̄diameterratioonthethermalconductivityofCF/EPcomposites图8㊀CF长径比对CF/EP复合材料热膨胀系数的影响Fig8㊀Theeffectofcarbonfiberlength ̄diameterratiosonthethermalexpansioncoefficientofCF/EPcomposites如图7所示ꎬ对比平铺结构和交错结构的复合材料导热系数可以发现ꎬ平铺结构的复合材料在沿着碳纤维的取向方向具有较高的导热系数[约6W/(m K)]ꎮ交错结构复合材料的导热性能在平面方向均有相对较高的导热系数[约2 5W/(m K)]ꎬ在垂直碳纤维方向的导热系数较低[约0 2W/(m K)]ꎮ对比平铺结构和交错结构中CF/EP复合材料的热传导性能变化情况可知ꎬ与力学性能类似ꎬ平铺结构的851第48卷第12期王㊀瑶ꎬ等:CF/EP复合材料的热学和力学性能仿真热学性能显示出明显的各向异性特征ꎮ这一点在研究CF/EP复合材料的热膨胀系数时也得到了很好的体现ꎮ由于碳纤维的平铺结构ꎬ图8中复合材料的热膨胀系数在x方向(碳纤维取向方向)要远远小于y和z方向ꎻ而由于碳纤维在x-y平面内交错排列ꎬ复合材料在x和y方向的热膨胀系数接近ꎮ同样ꎬ由于仿真体系的尺寸太小ꎬ碳纤维长度对复合材料热学性能的影响没有表现出来ꎮ3㊀总结通过上述分析可知ꎬ碳纤维的分布状态对CF/EP复合材料的力学和热学性能有重要的影响ꎮ在平铺结构中ꎬ材料的力学和热学性能均表现出明显的各向异性ꎮ在交错结构中ꎬ材料在平面方向表现出各向同性ꎮ沿着碳纤维的取向方向ꎬ复合材料具有较高的杨氏模量和导热系数以及较低的热膨胀系数ꎮ垂直于碳纤维取向方向ꎬ复合材料的具有较高的剪切模量和较低的泊松比ꎮ我们可以通过控制碳纤维的分布状态来优化碳纤维复合材料的力学和热学特性或制备得到满足特殊需求的各向异性材料ꎮ参㊀考㊀文㊀献[1]尹红灵.热塑性碳纤维编织复合材料热压成型研究[D].上海:上海交通大学ꎬ2016.YINHL.Researchonhotpressformingofthermoplasticcarbonfiberbraidedcomposites[D].Shanghai:ShanghaiJiaotongUniversityꎬ2016.[2]王贵彬.碳纤维复合材料制品模压成型及有限元分析[D].徐州:中国矿业大学ꎬ2014.WANGGB.Compressionmoldingandfiniteelementanal ̄ysisofcarbonfibercompositeproducts[D].Xuzhou:ChinaUniversityofMiningandTechnologyꎬ2014. [3]刘树良ꎬ陈涛ꎬ魏宇祥ꎬ等.碳纤维增强复合材料加工技术研究进展[J].航空制造技术ꎬ2015ꎬ483(14):81-86.LIUSLꎬCHENTꎬWEIYXꎬetal.Researchprogressofcarbonfiberreinforcedcompositematerialsprocessingtechnology[J].AeronauticalManufacturingTechnologyꎬ2015ꎬ483(14):81-86.[4]刘晓军ꎬ单忠德ꎬ战丽ꎬ等.短纤维层间增强碳纤维复合材料层板的力学研究[J].工程塑料应用ꎬ2020ꎬ48(1):18-23.LIUXJꎬSHANZDꎬZHANLꎬetal.Researchonthemechanicsofshortfiberinterlayerreinforcedcarbonfibercompositelaminates[J].EngineeringPlasticsApplicationsꎬ2020ꎬ48(1):18-23.[5]北京化工大学.短切碳纤维层间增强纤维复合材料的制备方法:104945854A[P].2015-09-30.BeijingUniversityofChemicalTechnology.Preparationmethodofchoppedcarbonfiberinterlayerreinforcedfibercomposite:CN104945854A[P].2015-09-30. [6]ZHOUJMꎬMENGHMꎬLIDLꎬetal.Multi ̄scalemodelingofcarbonfiberreinforcedmagnesiumlaminates(Cf/AZ91D)forYoung smodulusprediction[J].RareMetalMaterialsandEngineeringꎬ2019ꎬ48(7):2068-2073.[7]OSTAPIUKMꎬBIENIAS'JꎬSUROWSKABꎬetal.Anal ̄ysisofthebendingandfailureoffibermetallaminatesbasedonglassandcarbonfibers[J].ScienceandEngineeringofCompositeMaterialsꎬ2018ꎬ25(6):1095-1106. [8]PAPATHANASIOUTDꎬINGBERMSꎬGUELLDC.Stiffnessenhancementinalignedꎬshort ̄fibrecomposites:Acomputationalandexperimentalinvestigation[J].Com ̄positesScienceTechnologyꎬ1995ꎬ54(1):1-9. [9]SHIMAMOTODꎬTOMINAGAYꎬIMAIYꎬetal.Fiberorientationandflexuralpropertiesofshortcarbonfiber/epoxycomposites[J].JournaloftheCeramicSocietyofJapanꎬ2016ꎬ124(1):125-8.[10]AHMADIMꎬANSARIRꎬHASSANZADEH ̄AGHDAMMK.Finiteelementanalysisofthermalconductivitiesofunidirectionalmultiphasecomposites[J].CompositeIn ̄terfacesꎬ2019:1-21.[11]DENGFꎬZHENGQSꎬWANGLFꎬetal.Effectsofanisotropyꎬaspectratioꎬandnonstraightnessofcarbonnanotubesonthermalconductivityofcarbonnanotubecom ̄posites[J].AppliedPhysicsLettersꎬ2007ꎬ90(2):787.[12]王玉庆ꎬ张名大ꎬ周本濂ꎬ等.复合材料热膨胀的一个理论模型[J].材料研究学报ꎬ1989ꎬ3(5):442-446.WANGYQꎬZHANGMDꎬZHOUBLꎬetal.Atheo ̄reticalmodelofcompositethermalexpansion[J].ChineseJournalofMaterialsResearchꎬ1989ꎬ3(5):442-446.(本文于2020-09-18收到)㊀«塑料工业»杂志投稿邮箱:slgy@bluestar chemchina com欢迎访问«塑料工业»杂志网站:www iplast cn951。
碳纤维复合材料单钉连接拉伸性能仿真分析和试验研究
程的模拟和验证及相关性能数据。 1 分 析 方 法
本文的仿真分析针对复合材料层合板结构静载加
载过 程 , 以三维 有 限元分 析技 术为 基础 , 通过 每一载 荷
A s at T etni rp re f ab nf e e f cdpat C R )wt s g oto t a tde b t c : h s npo et s ro b r i o e lsc( F P i i l b lji ss id r e o i oc i rn r i h ne nw u
中图分 类 号 : B 3 T 3 19 T 3 ; P 9 . 文 献标识 码 : A 文章 编 号 :0 8 5 0 ( 0 2 0 — 0 7 0 10 — 3 0 2 1 ) 1 0 1 — 4
S m u a in a s t d n Te i n Pr pe te fCa b n F b r Ren o c d i l to nd Te tS u y o nso o ris o r o i e if r e
碳纤维复合材料缺陷检测方法研究
在声场仿真中分别对样本材料、几何形状、相控阵延迟法则和探头进 行设置, 模拟出2D和3D的声场分布。在缺陷响应部分,设置不同 大小和形状的缺陷,计算声场在缺陷上的变化。
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碳纤维复合材料无损检测研究概况
碳纤维复合材料新型无损检测技术 3.超声检测方法
使用超声检测技术对复合材料内部的各种缺陷进行 检测,还可以利用超声检测技术测量材料的厚度。 其穿透能力强,探伤灵敏度高,易于操作,快速方 便,目前在国外发达国家超声检测技术已广泛应用 在无损检测领域。
局限性: • 对于形状复杂的材料或工件检测较困难,要求被测表面较光滑 • 需要耦合剂以减弱声波在空气中的衰减,这样可以保证声波与材料达到最大程度的耦合。 • 碳纤维复合材料板的厚度一般在 5mm 左右,属于薄板结构,声波在板内部传播会造成反射信号被噪声污
实现的,破坏性检测只能针对原材料进行
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碳纤维复合材料无损检测研究概况
复合材料的低导电特性和低热导率,声衰减强等特性使其不像金属材料那样容 易产生腐蚀缺陷,却极易因偶然撞击而产生不可见的裂纹、分层等现象,即使 是极微小的撞击也会在近表面产生严重的缺陷,影响材料的性能 20世纪80年代后,为解决复合材料缺陷的无损检测问题,诞生了许多新技术新 方法如:X射线检测,涡流检测、微波检测、超声检测等常规检测方法
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展示结构
第一步
检测方法
对碳纤维复合材料仿真实验研
究进行了详细的介绍。通过声
场仿真模块选择检测参数,包
基于扩展有限元的碳纤维复合材料裂纹扩展仿真
基于扩展有限元的碳纤维复合材料裂纹扩展仿真韩少燕 门 静 韩海燕(西安交通大学城市学院,陕西 西安 710018)引言 碳纤维复合材料以其良好的力学性能被广泛的应用于汽车、航空航天等领域[1]。
碳纤维层合板在实际使用过程中容易受到冲击载荷产生大变形弯曲,导致局部产生应力集中与应变从而引起材料损伤,例如基体开裂、纤维断裂后或者层间分层等,材料损伤扩展会进一步导致力学性能降低,从而导致材料失效最终结构失效。
扩展有限元通过引入富集函数来修正传统有限元的近似位移函数,以描述间断界面,使间断的描述独立于有限元网格,避免了计算过程中的网格重构[2]。
本文采用扩展有限元法模拟了碳纤维复合材料层合板在弯曲载荷作用下的开裂过程,以预测材料抵抗外力损伤的性能。
1、扩展有限元 扩展有限元是以美国西北大学Belytschko 教授为首的研究组于1999年提出的一种求解不连续问题的数值方法,该方法可有效的求解强和弱不连续问题[2-3]。
扩展有限元的基本原理是基于单位分解法在传统有限元位移模式中加入特殊函数(加强函数),从而反应不连续性的存在,不同类型的不连续问题,只是加强函数不同而已。
1.1单位分解法单位分解法是Melenk 和Bubska 及Duarte 和Oden 于1996年先后提出的。
对于求解区域Ω,单位分解法用一些相互交叉的子域ΩI 来覆盖,每个子域都与一个函数()I ϕx 相联系。
函数()I ϕx 仅在ΩI 内非零,且满足单位分解条件()1I Iϕ=∑x (1)Duarte 和Oden 用K 阶移动最小二乘近似函数来构造单位分解,即1()()[()]mh k I iI i Ii b q ϕ==+∑∑ u x x u x (2) 其中:()i q x 可以是单项式基。
系数是未知量,可以通过Galerkin 法或配点法求解。
为了提高逼近精度,或满足对待定问题的特殊逼近要求,也可以包含其他一些形式的函数(称之为加强基函数)。
碳纤维复合材料的实物强度与模拟仿真研究
碳纤维复合材料的实物强度与模拟仿真研究碳纤维复合材料是一种具有高强度、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能的材料,广泛应用于航空、航天、汽车、轨道交通、船舶等领域,成为新一代高性能材料。
然而,碳纤维复合材料的实物强度与模拟仿真研究一直是研究的热点和难点之一。
本文将分析碳纤维复合材料的实物强度与模拟仿真研究现状,并展望未来。
一、碳纤维复合材料的实物强度研究1. 实物试验实物试验是研究碳纤维复合材料实物强度的重要方法。
通过实物强度试验,可以获得材料的实际强度和断裂韧性等基本性能指标。
根据试验方法的不同,可以分为单轴拉伸试验、双向剪切试验、缩径拉压试验、冲击试验等。
单轴拉伸试验是最常用的实物试验方法,通过拉伸试验机将样品施加单向拉伸力并测量应力-应变曲线,从而得到材料的拉伸强度、屈服强度、弹性模量和拉伸应变能等指标。
缩径拉压试验可以获得材料在径向压缩和拉伸状态下的强度和变形行为,适用于研究压缩和拉伸异向性。
冲击试验则可以模拟材料在受到冲击载荷时的响应,研究材料的韧性和抗冲击性能。
2. 实物强度影响因素碳纤维复合材料的实物强度受多种因素影响。
材料的纤维类型、体积分数和层叠方式对材料强度有很大影响。
纤维和基体之间的界面粘结力也是影响强度的重要因素。
此外,加工过程中的处理方式和温度等因素也会对材料强度造成影响。
3. 实物强度研究进展随着复合材料在工业领域的广泛应用,实物强度研究也得到了长足发展。
目前,国内外研究机构多采用复合材料的细观结构分析和材料力学性能测试相结合的方法进行研究。
此外,利用样本的数字化设计和孔洞、缺陷等不良状态的模拟,并通过计算机仿真技术对碳纤维复合材料的实物强度进行研究也越来越成为趋势。
二、碳纤维复合材料的模拟仿真研究1. 模拟仿真原理模拟仿真技术是一种基于数值计算方法的虚拟试验方法,能够通过计算机模拟材料受载情况,并得到物理量的计算结果,如材料应力、变形、破坏等。
这些计算结果可以帮助研究人员更好地了解材料的性能特点和响应规律。
碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟分析
碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟分析引言:碳纤维增强复合材料是一种重要的结构材料,具有高强度、低密度和优异的耐腐蚀性能。
为了更好地理解和预测这种材料的力学性能,有限元模拟成为一种有效的工具。
本文将探讨碳纤维增强复合材料的力学性能及其有限元模拟分析方法。
1. 碳纤维增强复合材料的力学性能碳纤维增强复合材料由碳纤维和基体材料组成,具有独特的力学性能。
首先,碳纤维的高强度和高模量使得复合材料具有出色的抗拉强度和刚度。
其次,由于碳纤维和基体的界面结合紧密,复合材料还表现出较好的层间剪切性能。
此外,碳纤维增强复合材料的疲劳强度和耐冲击性也远远优于传统金属材料。
2. 有限元模拟在力学性能分析中的应用有限元模拟是一种计算方法,通过将复杂结构离散为数学模型,基于力学原理求解结构的应力和变形分布。
在碳纤维增强复合材料力学性能分析中,有限元模拟被广泛应用。
首先,可以通过有限元模拟研究复合材料在静力载荷下的应力分布和应变响应,从而评估其强度和刚度。
其次,有限元模拟还可以模拟在动力载荷下复合材料的疲劳寿命和冲击行为,并优化复合材料的设计和性能。
3. 有限元模拟参数的选择在进行碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟时,需要选择合适的模拟参数。
首先,应选择适当的网格划分,以保证模型几何形状和表面质量的准确性。
其次,需要确定材料的力学性能参数,如弹性模量、剪切模量和层间剪切强度等。
对于复合材料的层间剪切强度,通常需要进行微观结构分析以获取准确的数值。
此外,外界加载条件(如温度、湿度等)也需要考虑进来以获得可靠的模拟结果。
4. 有限元模拟分析的挑战和进展尽管有限元模拟在碳纤维增强复合材料力学性能分析中具有重要的应用前景,但仍面临一些挑战。
首先,材料的非线性和各向异性使得模拟计算的复杂度增加。
其次,复合材料的失效机制与金属材料有所不同,需要改进模型和算法以准确地预测结构破坏行为。
此外,对于复合材料的疲劳和寿命预测,还需要开展更多的试验和验证以提高模拟的准确性。
abaqus碳纤维复合材料结构
Abaqus碳纤维复合材料结构1. 概述碳纤维复合材料是一种具有优异性能的先进材料,它在航空航天、汽车工业、体育器材等领域得到了广泛应用。
在工程设计中,对碳纤维复合材料结构的性能和可靠性进行准确的评估至关重要。
Abaqus是一种常用的有限元分析软件,能够对复材结构进行准确的模拟和分析,因此对于碳纤维复合材料结构的研究至关重要。
2. 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料由高强度的碳纤维和塑料基体组成,具有重量轻、强度高、刚性大、耐腐蚀、抗疲劳等优点。
然而,碳纤维复合材料的非均匀性和复杂的结构使得其性能表现和预测变得更加复杂。
需要借助有限元分析等方法进行深入研究。
3. Abaqus对碳纤维复合材料结构的模拟Abaqus作为有限元分析软件,具有强大的建模和分析能力,能够对碳纤维复合材料的结构进行准确的模拟。
通过Abaqus可以建立复材层合板、复材蜂窝结构、复材夹芯板等常见的复材结构模型,并进行受力性能、疲劳寿命、断裂行为等方面的分析和预测。
4. Abaqus在碳纤维复合材料结构中的应用Abaqus在碳纤维复合材料结构领域有着广泛的应用,例如在航空航天领域,可以利用Abaqus对飞机机翼、机身等结构的复材部件进行受力和疲劳寿命分析;在汽车工业领域,可以利用Abaqus对碳纤维复合材料车身、悬挂系统等部件进行强度和刚度分析;在体育器材制造领域,可以利用Abaqus对碳纤维复合材料网球拍、高尔夫球杆等产品的性能进行模拟和预测。
这些实际应用表明Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的重要性和价值。
5. Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的挑战和展望尽管Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中取得了显著的成果,但仍然面临一些挑战,如对复材材料本身非线性、破坏行为、界面效应等方面的准确建模和模拟;另外,随着复材结构的复杂化和应用领域的拓展,需要Abaqus不断更新和完善其建模和分析能力,以满足不断增长的复材结构仿真需求。
复合材料加工中的模拟技术研究
复合材料加工中的模拟技术研究复合材料是由两种或两种以上不同材料通过机械、化学或物理方法进行复合得到的材料。
它具有重量轻、强度高、耐热性好等特点,是现代工业发展的重要材料。
随着复合材料在航空、汽车、交通等领域的广泛应用,其加工技术也越来越成熟和复杂。
为了更好地控制复合材料的加工过程,提高产品质量和生产效率,模拟技术成为重要的手段之一。
一、复合材料的模拟技术现状复合材料加工过程中有很多参数需要掌握和调节,如材料成分、温度、压力、质量等等。
模拟技术就是通过计算机技术和数值模拟方法对复合材料加工过程进行模拟和仿真,以达到预测和优化加工过程的目的。
目前,复合材料的模拟技术主要包括有限元方法、CFD方法、计算热力学方法等等。
这些方法都可以对加工过程中的温度场、应力场、位移场等进行分析和优化。
其中,有限元方法是最为常用的一种方法,其优点在于能够考虑材料的非线性特性和变形情况等细节问题。
近年来,由于计算机硬件和软件的不断提高,模拟技术在复合材料加工中的应用也得到了进一步发展。
二、复合材料模拟技术的应用1. 热成型模拟热成型是一种常见的复合材料加工方法,利用高温和压力使复合材料成形。
热成型模拟可以通过有限元方法和计算热力学方法进行。
通过对材料温度、压力等参数的模拟,可以预测产品在成型过程中的变形和变化,从而调整加工参数,提高产品的成型精度和质量。
2. 纤维注射成型模拟纤维注射成型是一种快速成型技术,可以在短时间内制作出复材零部件。
该成型技术需要对复材纤维、注塑工艺、注塑机等进行模拟,以保证产品的性能和质量。
通过模拟分析获得的数据,可以确定合适的注塑参数、母材和添加剂的比例等,从而达到最佳的成型效果。
3. 碳纤维复合材料悬挂系统模拟碳纤维复合材料广泛应用于汽车、航空、航天等领域,其中悬挂系统是其重要的应用之一。
复合材料悬挂系统需要进行复材部件设计、力学强度分析、材料比较等一系列工作。
模拟技术可以对这些参数进行分析和计算,以确定悬挂系统各部分的材料性能和设计参数。
碳纤维复合材料切削过程的有限元模拟
量 的分析方法。
关键词 复合材料 ; 背吃刀量 ; 表面质量 ; 二维切削模 拟 中图分类号 B 3 3 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 4 — 2 4 4 X ( 2 0 1 4 ) 0 1 — 0 0 8 6 — 0 4
Ke y wo r d s c o mp o s i t e ma t e ia r l; b a c k e n g a g e me n t o f c u t t i n g e d g e ; s u f r a c e q u a l i t y; t wo — d i me n s i o n l a c u t t i n g s i mu l a t i o n
碳纤维复合材料切削过程的有限元模拟
熊威龙 , 戴斌 煜 , 商景利 , 王薇薇
( 南 昌航空大学 航空制造工程学院 , 江西 南 昌 3i n 失效 准则 , 在A B A Q U S / E x p l i c i t 中建立碳纤维复合材料 的二维正交 切削模 型 。采用此模型研究切 削 条件对复合材料切削表面质量 的影响 。模拟得到 了崩碎切屑的形成过程 、 切 削力 随刀具行程的变化曲线 、 应力在刀具及
c u t t i n g s i mu l a t i o n,t h e f o r mi n g p r o c e s s o f b r e a k,a n d t h e c u r v e o f f o r c e — t o o l s t r o k e ,a n d t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n c h i p a n d w o r k p i e c e w e r e o b t a i n e d . T h e e f f e c t s o f t o o l s w i t h b a c k e n g a g e me n t o f c u t t i n g e d g e o n t h e c u t t i n g p r o c e s s ,s u fa r c e q u li a t y a n d
薄板钻加工碳纤维复合材料仿真研究
薄 板 钻加 工 碳 纤维 复 合 材 料仿 真 研究
王 明海 ,孙 国强
( 沈 阳航 空航 天 大学航 空制 造 工艺数 字化 国防重 点学科 实验 室 ,辽 宁沈 阳 1 1 0 1 3 6 )
摘要 :针对碳纤维复合材料的制孔难加工性 ,提 出采用薄板钻加 工复合材料 。通 过建立碳 纤维复合 材料制孔 加工有 限 元分析模型 ,对 比分析了两种钻头在不同工艺参数下 的加工质量 ,研究 了钻头形状 和工艺参 数对碳纤维 复合材料 制孔加工
S h e n y a n g A e r o s p a c e U n i v e r s i t y , S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 3 6 ,C h i n a )
Ab s t r a c t : Ai mi n g a t t h e p o o r p r o c e s s i n g q u li a t y o f CF R P, c o r e d i r l l w a s e mp l o y e d i n d r i l l i n g C F RP .T h r o u g h e s t a b l i s h i n g t h e f i — n i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l ,t h e p r o c e s s i n g q u a l i t i e s o f t w o d i f f e r e n t t y p e s o f d i r l l s i n d i f f e r e n t p a r a me t e r s we r e c o mp a r a t i v e l y a n a l y z e d f o r s t u d y i n g d r i l l i n g C F RP .T h e e f f e c t s o f d i r l l g e o me t r y a n d p r o c e s s i n g p a r a me t e r s o n d i r l l i n g q u a l i t y o f C F RP w e r e r e s e a r c h e d .T h e
《碳纤维复合材料》课件
切割与加工
在高温下进行热处理,消除材料中的 内应力,提高其稳定性和耐久性。
根据需要,对碳纤维复合材料进行切 割和加工,以满足不同应用的需求。
表面涂装与防护
对碳纤维复合材料表面进行涂装和防 护处理,以提高其耐腐蚀、耐磨等性 能。
碳纤维复合材料的
03
性能与测试
碳纤维复合材料的力学性能
01
02
03
高强度与高刚性
碳纤维复合材料具有极高 的抗拉强度和弹性模量, 使其成为承受重负载和抵 抗变形的理想选择。
疲劳性能优异
碳纤维复合材料在循环载 荷下表现出良好的耐久性 ,适用于需要承受周期性 载荷的场合。
损伤容限高
碳纤维复合材料的独特结 构使其能够承受部分损伤 而不影响整体性能,提高 了结构的安全性。
碳纤维复合材料的热学性能
将碳纤维与树脂等基体材料混合,制备成预浸料。预浸料的制备质 量直接影响复合材料的性能。
铺层与成型
将预浸料按照设计要求进行铺层,然后在一定温度和压力下进行成 型处理,使材料固化形成碳纤维复合材料。
后处理与加工
对成型的碳纤维复合材料进行后处理和加工,以满足不同应用需求 。
碳纤维复合材料的后处理工艺
热处理与消除内应力
将聚合物单体进行聚合,然后纺成纤维。这一过程中,需要控制温度 、压力等参数,以确保纤维的质量。
预氧化与碳化
在高温下进行预氧化和碳化处理,使纤维中的氢、氧等元素得以去除 ,同时形成碳纤维的结构。
表面处理与涂层
对碳纤维表面进行处理和涂层,以提高其与其他材料的粘附性和功能 性。
碳纤维复合材料的成型工艺
预浸料制备
良好的热稳定性
碳纤维复合材料在高温下仍能保持稳定的力学性能, 适用于高温环境。
碳纤维复合材料传动轴的仿真分析
图1传动轴有限元模型碳纤维复合材料传动轴材料选用碳纤维T300,密度4改善措施的制定与实施通过以上分析,需对行星齿轮内孔增加鼓形设计;形结构可通过热后车削加工来实现,工艺十分成熟,具备量产可行性;同时重新分析了行星齿轮与轴的接触区域的应力分布,最大接触应力由原来的10134MPa下降到1557MPa,改善效果明显;耐久试验做了几轮,效果也有比较大的提升。
参考文献:[1]陈家瑞.汽车构造[M].人民交通初版社,2010.[2]李建功.机械设计[M].机械工业出版社,2007.图2碳纤维铺层设置示意图4静强度分析复合材料层合板的破坏过程是逐层破坏的,层合板每层厚度、铺设角度不同,各层抵抗外载荷能力各不同。
当外加载荷值达到强度最弱层的破坏值后,该层破坏,直至层合板整体失效。
复合材料强度准则主要有:最大应力准则、最大应变准则、蔡-希尔(Tsai-Hill)准则、霍夫曼16.5图3应力云图5结论碳纤维复合材料因其比强度、比模量大,并且破裂安全性能良好、减震性能良好、可设计性高,越来越受研究人员的关注,在汽车传动轴上的应用也越来越多。
通过对某型号碳纤维复合材料传动轴的仿真分析,对不同铺层方案进行校核,其应力结果符合强度要求。
参考文献:[1]刘雄亚,欧亚国恩,张华新,刘宁.透光复合材料、碳纤维复合材料及其应用[M].化学工业出版社,2006:238-239. [2]赵稼祥,王曼霞.复合材料高性能碳纤维的发展的应用[J].新型碳材料,2000,15(1):68-75.[3]马祥禹,张锦光,蔡光胜,谭建.汽车用碳纤维传动轴结构设计与有限元分析[J].玻璃钢/复合材料,2017(8):5-9. [4]张胜男,刘艳兵.汽车用碳纤维复合材料的结构设计与加工工艺[J].AT&M视界,2018(9):1-8.[5]张锦光,等.碳纤维复合材料汽车传动轴设计与振动特性分析[J].机械制造,2018(5):49-52.[6]牟小燕.基于ANSYS的碳纤维复合材料传动轴失效分析。
分子模拟技术在碳纤维增强材料中的应用研究
分子模拟技术在碳纤维增强材料中的应用研究一、引言碳纤维增强材料因其优异的力学性能而被广泛应用于航空、航天、汽车、体育用品等领域。
传统试验方法需要大量的时间和金钱成本,且不能对材料内部的微观结构变化进行深入分析。
而分子模拟技术可以通过计算分子间相互作用力、形态结构等信息,预测材料的力学性能和热力学性能。
此外,分子模拟技术也可以预测在特定条件下材料的微观结构和动力学行为,有助于指导材料的制备和性能优化。
因此,分子模拟技术在碳纤维增强材料中具有非常广阔的应用前景。
二、碳纤维增强材料的特点碳纤维增强材料是由碳纤维和树脂基体复合而成,具有以下特点:(1)高强度、高模量、轻质化:碳纤维是一种高强度、高模量、轻质化的材料,其比强度和比模量分别是金属的6 ~ 12倍和2 ~ 3倍。
(2)高热稳定性:大多数碳纤维可以在2000℃左右的温度下使用,适用于高温和高热流量的环境。
(3)优异的耐腐蚀性能:碳纤维可以耐受多种腐蚀介质的侵蚀,如浓盐酸、硫酸等。
(4)复合性良好:碳纤维与树脂的复合性能良好,可以制备特定形状的复合材料,如板材、管材、棒材等。
三、分子模拟技术在碳纤维增强材料中的应用1. 分子动力学模拟分子动力学模拟可以模拟材料中分子的运动和相互作用力,预测材料的力学性质和热力学性质。
在碳纤维复合材料中,分子动力学模拟可以研究材料的断裂机理、疲劳损伤等。
例如,Pereira 等用分子动力学模拟研究了纤维滑移对碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)热导率的影响。
他们发现在纤维拉伸方向上的热导率比垂直方向的高,且随着纤维长度的增加而增加。
这可以与纤维内部的滑移运动有关。
2. 分子力学模拟分子力学模拟可以计算材料中分子间相互作用力和形态结构等信息,预测材料的力学性质。
在碳纤维复合材料中,分子力学模拟能够计算纤维和树脂之间的黏合强度、和分析材料断裂所采用的荷载和偏离构型之间的关系等。
例如,González等通过分子力学模拟研究纤维表面处理对CFRP内部应力的影响。
CAD中常用的复合材料
CAD中常用的复合材料CAD是计算机辅助设计的缩写,是通过计算机技术对产品进行设计、分析、仿真等工作的一种方法。
在CAD设计中,复合材料是一种常用的材料,它由两种或多种不同类型的材料组成,通过复合而成,具有优良的性能和特点。
本文将介绍CAD中常用的几种复合材料,包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和铝基复合材料。
1. 碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种以碳纤维为增强体,树脂基体为组合体的复合材料。
碳纤维具有优异的力学性能和耐热性能,可以增加产品的强度和刚度。
在CAD设计中,碳纤维复合材料常用于航空航天、汽车、体育器材等领域,如飞机机身、汽车车身和高尔夫球杆等。
它们具有重量轻、耐腐蚀、耐高温等特点,适用于要求强度高、重量轻的产品设计。
2. 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料是一种以玻璃纤维为增强体,树脂基体为组合体的复合材料。
玻璃纤维具有较高的强度、刚度和热稳定性,可以用于制造轻质且具有高刚度的产品。
在CAD设计中,玻璃纤维复合材料常用于建筑、船舶、风力发电等领域,如建筑外墙、船体和风力发电叶片等。
它们具有耐候性好、绝缘性能优异等特点,适用于各种复杂环境下的使用。
3. 铝基复合材料铝基复合材料是一种以铝合金为基体,经过复合而成的复合材料。
铝基复合材料具有良好的热导性、抗腐蚀性和耐火性,广泛应用于航空航天、电子设备和交通工具等领域。
在CAD设计中,铝基复合材料常用于制造导热元件、机箱和汽车零部件等。
它们具有重量轻、强度高和导热性能好的特点,适用于要求高散热和轻量化设计的产品。
综上所述,碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和铝基复合材料是CAD中常用的几种复合材料。
它们在产品设计中可以提高产品的强度、刚度和耐腐蚀性能,满足各种特定领域的需求。
在CAD设计过程中,合理选择适合的复合材料,能够提高产品的设计效率和质量,为不同领域的应用提供更好的解决方案。
碳纤维三维编织复合材料强度
碳纤维三维编织复合材料强度好,今天咱们来聊聊一个听起来有点高大上的话题——碳纤维三维编织复合材料的强度。
这东西一听就让人感觉科技感满满,不是吗?如果你不是搞材料学的,别担心,我会带你慢慢走进这个世界,让你轻松明白。
首先啊,咱们得知道,碳纤维三维编织复合材料,简单来说,就是把碳纤维这种超级坚韧的材料,通过特别的编织方式,做成一种既轻又强的复合材料。
这就像是把普通的布料编织成超级强韧的网,感觉是不是有点像超级英雄的披风?对,就是这种感觉!这种材料的强度大到可以应用在很多高要求的领域,像是航空航天、赛车甚至是军用装备。
能把这么强的材料编织成三维结构,不得不说,这就是技术的魅力,真的是“人类智慧的结晶”啊!说到强度,咱们就不得不提碳纤维的独特之处了。
你想啊,碳纤维的强度高得让人怀疑人生。
比钢铁还要强,却比铝轻得多,听着就让人觉得这玩意儿简直是科技界的“轻装上阵”者。
而这种复合材料又不是简单的把碳纤维一根根排排坐就完事了,咱们要把它们像织布一样交织起来,让它在各个方向上都有强大的支撑力。
想象一下,你拿着一张网,那网的强度,跟它的编织方式有直接关系,越密、越巧,网就越结实。
这也是为什么碳纤维三维编织复合材料,能在承受外力时表现得特别棒,像赛车碰撞时,它的强度就能有效地保护车体,减少损伤。
不过啊,任何事物都有两面性,咱们不能只看它的好的一面,得说说它的“短板”。
碳纤维三维编织复合材料的制造成本可是让人咂舌的贵。
你想啊,得费老劲才能把这些碳纤维织成这样坚韧的三维结构,所以每一块材料的价格高得不止一点点。
这就像你去买一辆跑车,虽然你也可以考虑普通的家用车,但跑车的性能和外形绝对让你眼前一亮,贵就是贵得有道理嘛!但是对于一些需要高强度、低重量的应用领域来说,贵点也值。
这种复合材料虽然强度高,但也不是万能的。
说白了,它也有自己的弱点。
比如,受到了某些极端条件的影响,像是温度变化或者是长时间的紫外线照射,它的性能可能会有所下降。
碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真及因素影响
碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真及因素影响卢翔;单泽众;赵淼【摘要】为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在雷电流作用下的烧蚀损伤,对CFRP进行了雷电流电-热耦合效应仿真和不同参数影响分析.首先,对试件进行了电-热耦合有限元分析;并在温度叠加法的基础上进行改进,完善了温度引起复合材料的性能变化;利用ABAQUS软件进行了碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真模拟,和实验结果对比验证了仿真的有效性.结果表明:相同波形雷击电流,峰值越高,损伤面积越大,损伤深度越大.之后,利用改进方法分别研究不同因素对雷击作用下CFRP烧蚀损伤的影响,结果表明复合材料的电导率、比热、密度是影响烧蚀损伤的重要因素.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2019(019)010【总页数】9页(P52-60)【关键词】复合材料;雷电流;电-热耦合;损伤;不同因素【作者】卢翔;单泽众;赵淼【作者单位】中国民航大学航空工程学院,天津300300;中国民航大学航空工程学院,天津300300;中国民航大学航空工程学院,天津300300【正文语种】中文【中图分类】TB332雷击会对正常航空运输的飞机造成极大的威胁;据统计,飞机每飞行1 000~10 000 h就会遭遇一次雷击,民航飞机平均每年会遭受一次雷击[1,2]。
近年来,由于复合材料具有优异的机械性能和质量轻等特点,其已广泛的应用于民航运输行业,其中,波音787飞机复合材料用量达到50%以上[2,3]。
复合材料相比飞机常用的铝合金等材料,导电性能较低,在雷电流直接作用下,更容易产生损伤;严重情况下,会对飞机的飞行安全造成威胁[4]。
因此,研究雷电流对复合材料的损伤效应,对进一步推进复合材料在民航运输上的应用及提高飞行安全具有十分重要的意义。
雷电流对于复合材料的直接影响是一个相当复杂的过程;而且雷电流峰值高、持续时间短、作用积分大,难以用数值仿真的方法完全模拟;而且对实验条件和实验装置要求较高[5]。
针刺CC复合材料细观结构表征及力学行为仿真研究
针刺C/C复合材料细观结构表征及力学行为仿真研究C/C复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料,具有密度低、耐摩擦、导热性好、机械性能优异、热膨胀系数低等优点,是最有发展前途的高温材料之一。
针刺工艺通过对碳纤维织物的叠层针刺,达到增强预制体层间性能的目的,是制造C/C复合材料预制体的一种重要技术。
针刺C/C复合材料克服了 2D铺层复合材料层间强度弱的缺点,弥补了 3D C/C复合材料工艺复杂、致密度低的不足,因此在航空航天领域,如飞机制动器、固体火箭发动机材料等方面得到了广泛应用。
近年来,宏观实验研究手段增进了对针刺复合材料力学性能的经验性认识,但细观力学行为的仿真分析尚处于起步阶段,尤其在力学性能预测、破坏机理分析等方面的研究尚需加以完善。
为了探究针刺工艺对于C/C复合材料力学性能的影响,本文在细观结构精细表征的工作基础之上,建立与实际材料结构相吻合的力学模型,开展对其细观力学行为的仿真研究,为针刺C/C复合材料的加工工艺提供合理的优化建议。
主要包含以下内容:首先,采用显微CT和三维重构技术对高密度针刺C/C复合材料的细观结构进行精细表征,探究针刺工艺对材料孔隙分布的影响。
结果表明,网胎层的孔隙率远高于炭布层和针刺纤维束区,针刺作用造成的预制体内部间隙是形成大尺寸孔隙的根源。
高压液相倾浸法可以降低炭布层孔隙率,进而提高C/C复合材料的密度。
孔隙球度、倾斜角和方位角的计算表明,不同铺层的孔隙分布特征与铺层内的纤维排布方式有关,炭布层孔隙呈现明显的沿纤维分布特征。
其次,建立了针刺C/C复合材料的多针刺区单胞模型。
单胞模型被划分为炭布层、网胎层和针刺纤维束区等三个子区域,其中,针刺纤维束具有随机分布特征,与材料实际结构相吻合。
采用基于Mori-Tanaka模型的二次均匀化算法,计算模型各区域的材料参数,并通过对立方体单胞模型加载周期性边界条件,实现有效弹性性能的预报。
再次,开展了基于随机单胞模型的细观力学分析,包括应力变形分析、有效模量预报以及层合板模型的对比验证等内容。
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Probabilistic Assessment of a Stiffened Carbon Fibre Composite Panel Operating in its Postbuckled RegionAuthors:D. Elder and R. ThomsonCooperative Research Centre for Advanced Composite Structures Limited 506 Lorimer Street, Fishermans Bend, Victoria, 3207, AustraliaCorrespondence:D. ElderCRC-ACSPhone: + 61 3 9676 4906Fax: + 61 3 9676 4999E-mail: d.elder@.auABSTRACT:This paper presents a probabilistic study on the behaviour and buckling capacity of a thin shell carbon fibre stiffened panel operating in its postbuckling region. The paper is a part of the ongoing world wide research into this phenomena being conducted by the CRC-ACS and many other interested parties including the EU FP6 Project COCOMAT. The aim of the research is to develop proven design methods that will allow an increased specific strength of stiffened composite structures commonly used in the civil aviation industry. Unlike their metal counterparts which can be reliably designed to operate with postbuckled loads, the use of similar composite parts for primary structures has not yet been widely adopted by industry. This is mainly due to the relatively brittle nature of composites which prevents significant yield based load paths being developed local to the stiffened regions of the structure. Using LS-OPT and LS-DYNA the study explores the probabilistic variations of a COCOMAT panel using a stochastic analysis. The response of the panel was the peak buckling load and the design variables included uncertainties in material properties, manufacturing tolerances and geometric imperfections. It was concluded that three of the four ply angles require accurate orientation during placement to produce a panel that will exhibit good repeatability for experimental testing. In addition the available computational methods in LS-DYNA to simulate buckling are reviewed and compared through the testing of a small baseline model.Keywords:Buckling, Postbuckling, LS-OPT, LS-DYNA, Stochastic analysis, Composite materialsINTRODUCTIONThe requirement for cheaper and more efficient civil aviation transport has seen that that each new generation of aircraft is constructed with an increasing amount of carbon fibre composites which in general out perform their metal counter parts with respect to specific strength, corrosion resistance and fatigue. However one significant drawback of this material is its brittle nature and complex failure mechanisms. These attributes have led to the current design practices where for slender components prone to buckling, no material degradation is acceptable under the ultimate load condition as per figure 1 (a). The aim of the current European research initiative “MATerial exploitation at safe design of Composite airframe structures through more accurate simulation of COllape” (COCOMAT) is to improve the understanding of slender composite panels such that material degradation is permitted as per figure 1(b) [1]. This paper first investigates the available computational methods available in LS-DYNA to simulate a nonlinear buckling analysis and compares the results of each method on a baseline model. This is followed by the analysis of a COCOMAT composite stiffened panel (fuselage section) under a uniform quasi-static compressive loading and compares the experimental results to a LS-DYNA simulation. Finally, the paper presents a stochastic investigation into the panel and the contribution of eleven parameters into its buckling capacity using LS-OPT.Figure 1: (a) Current design limits and (b) COCOMAT aim to improved strength [2](b) (a)BUCKLING CONSIDERATIONS in LS-DYNAAs a baseline, some fundamentals on elastic buckling shall first be considered. To progress this topic a simple baseline model as per figure 2 was analysed by the four different methods available in LS-DYNA. All simulations in this section used the highest order of accuracy possible, with selectively reduced integrated Hughes-Liu shell elements, double precision LS-DYNA code, tight convergences tolerances for implicit simulations and suitably slow loading rates for dynamic analyses. All dynamic models had appropriate damping and one of the two nonlinear static models included initial perturbations as this analysis method proved particularly sensitive to this attribute. From these analyses a number of recommendation are presented at the end of this section..Figure 2: Baseline modelANALYSIS METHOD 1 (Linear Eigen Extraction)A linear elastic eigen buckling solution indicated that a first local buckle occurred at 84 kN with a deformation mode of two wave lengths as per figure 3 and the eighth mode (global collapse) at 160 kN with a half wave length mode.Figure 3: First local buckling modeANALYSIS METHOD 2 (Nonlinear Static)Two buckling modes were observed, a local buckling occurring at 82 kN as per figure 4, and the global collapse mode at 122 kN (with no perturbations) and 115 kN with perturbations as per figure 5. A half wave length deformation mode occurred at global buckling.Figure 4: First local buckling mode using nonlinear static analysisANALYSIS METHOD 3 (Nonlinear Dynamic)Two dynamic simulations were completed, one explicit and an implicit, which gave similar local and global buckling modes and values to that of method 2. In addition one extra local mode shape (three in total) developed after the first local, with a deformation similar to that in figure 3. The peak buckling load estimates were 117 kN for implicit and 119 kN for explicit analyses as per figure 5.COMPARISON OF THE FOUR BUCKLING METHODSThe four computational methods are compared, in an X-Y plot with the axial shortening shown on the X axis and the resultant compressive load on the Y axis as per figure 5.Figure 5: Comparison of linear, nonlinear static and nonlinear dynamic bucklingRECOMMENDATIONS FROM THE BUCKLING STUDYThe recommendations for LS-DYNA buckling simulations are as per below: • A linear eigen1value extraction is approximate only due to the methods assumptions of linear stress distribution and zero deformation. The method isinexpensive and useful for initial investigations using LS-DYNA and LS-OPT.•Nonlinear static1 was sensitive to very small initial perturbations with respect to buckling shortening estimates. The inclusion of a full wave length perturbation with a magnitude of 0.1 mm reduced the buckled shorteninglength to that of approximately 50% of the non perturbed model. In comparison the dynamic model experienced no reduction in the shorteninglength with the same perturbation. The shortening magnitudes correspond tosignificant variations in peak stress between the static and dynamic methods.It is considered that the differences between these two analysis methods(nonlinear static and dynamic) may be due to dynamic effects allowing thetransient models to better evolve modes with lower energy states.•Nonlinear dynamic implicit1 and explicit2 analyses gave similar peak buckling values to the nonlinear static solution. For explicit analysis single precision isgenerally considered acceptable however under slow loading rates where anaccumulated global error is evident, double precision should be considered.COCOMAT PANEL ANAYSISUsing LS-OPT a sensitivity check on the peak compressive capacity of the COCOMAT panel was carried out using a stochastic analysis. The aim of this analysis was to improve the robustness of the panel such that manufacturing and material variance are minimised insuring better repeatability of the panel during manufacturing and testing.SECTION CONSIDEREDThe panel under consideration was a curved stiffened panel with plan dimension 720 x 680 mm, a radius of 938 mm and five stiffeners of height 15.5 mm as per figure 6. The panel was constructed from a laminated carbon/epoxy composite with thicknesses ranging from 1 to 3 mm. The panel was supported on all for sides with a compressive strain produced in the Z direction. Initial perturbations were produced using the *PERTURBATION_NODE keyword command and the analysis method was single precision explicit using the 4 node Belytschko-Tsay shell elements.1 The shell available for composite implicit analysis is limited to the 8 node thick shell element; also doubleprecision is recommended by [3].2The shells available for composite explicit analysis are the 4 node shell and the 8 node thick shell elements[3].Figure 6: Isometric view of curved stiffened composite panelThe load capacity comparison (without variable variance) between the experimental and LS-Dyna simulation is shown in figure 7 and the associated mode shapes in figure 8. The experimental test specimen and the LS-DYNA simulation experienced no material degradation.Figure 7: Axial compression force verses shortening for experimental & LS-DYNAFigure 8: Predicted local buckling mode at 90 kN and (b) global collapse load at 137 kNVARIABLES CONSIDEREDA total of 11 variables were considered, four ply orientations, four E11 moduli, skin thickness, perturbation magnitude and perturbation wave length as per table 1.Table 1: Variable mean and standard deviations adopted for the panel from [5]Variable LS-OPTsymbol Distribution Mean StandarddeviationPly angles (0°, 45°, 90° & -45°)p0, p45p90, p135Normal Mean 3°Elastic 11 ply modulus (0°, 45°, 90° & -45°)e0, e45e90, e135Normal Mean 0.05xMeanSkin thickness (1 mm) thick LogNormal 1 mm 0.045 mm Perturbation pert Normal 0.75 mm 0.4 mm Perturbation wavelengthwave_l Normal 75 mm 25 mmSTOCHASTIC ANALYSIS RESULTSThis section of the paper reviews the stochastic results from the LS-OPT/LS-DYNA simulations and discusses their significance. The LS-OPT model adopted was a linear Metamodel based Monte Carlo simulation derived from a D-Optimal point selection. Using this basis; 19 LS-DYNA experiments were conducted, with the results further extended to include 10,000 Monte Carlo experiments. The aims of this section were achieved by using the LS-OPT statistical tools and its visualisation capabilities of response probability distributions, stochastic contributions of variables and correlation coefficient.Probability Distribution of Buckling ResponseLS-OPT visualises the shape of the probability distribution of the resultant load as per figure 9. This information allows the further statistical data to be developed by: •The user identifying the form of the distribution and carrying out additional computations to determine the probability verses the buckling load.•LS-OPT assumes that the distribution is normal and determines the resultant mean and variance. In this example LS-OPT predicts a mean of 114 kN andstandard deviation of 6.07 kN, allowing a probability verses bucking loadrelationship to be developed by the user as per table 2.Table 2: Buckling load verses probability of collapseLoad 130 kN 120 kN 110 kN 100 kN 90 kNProbability of collapse 99.6% 84% 26% 1% 0.004%Figure 9: Probability distribution for the buckling forceStochastic Contribution of the VariablesLS-OPT visualises the stochastic contribution of each variable by plotting its contribution to the panels buckling load capacity as per figure 10. The graph shows that the most significant uncertainty is associated with the accumulative effect of ply placement for the three plies 0° (p0), 45° (p45) and -45° (p135) which together represent 47% of the total variation (refer table 1 for variable nomenclature).Figure 10: Stochastic contribution of variables to the buckling capacityCoefficient of CorrelationThe correlation coefficient provides a measure of the linear relationship between a variable and the response. The coefficient range is bound by the limits of -1 to 1. At 1 or -1 an exact linear relationship exists between the variable and the response. For positive values, as the variable increases so does the response, while the opposite is true negative values. For a correlation coefficient of 0 no relationship exists and a value of 0.3 is deemed as significant correlation [6].Figure 11: Coefficient of correlation for each variableThe two ply variables with a negative coefficient 45° (p45) and -45° (p135) indicates that by reducing their magnitude this will increase the buckling force.SUMMARY AND CONCLUSIONSThe study of analysis methods with respect to buckling concluded that consistent peak buckling capacities for quasi-static loading scenarios that are typically experienced during panel testing can be accurately achieved through either nonlinear static or nonlinear dynamic analyses. For dynamic analysis suitable loading rates and out of plane damping magnitudes are required to produce convergence in the peak buckling capacity. However in the prediction of peak elastic stresses, the nonlinear static method produced significantly higher axial shortening magnitudes and correspondingly larger peak stress when no initial perturbations were included. The inclusion of a full wave length perturbation with a magnitude of 0.1 mm in the nonlinear static model reduced the buckled shortening length to that of approximately 50% of the non perturbed model. In comparison the dynamic model experienced no reduction in the shortening length with the same perturbation. It is considered that the differences between these twoanalysis methods may be due to dynamic effects allowing the transient models to better evolve modes that mimic critical initial perturbations with lower energy states.The COCOMAT panel (without variable variance) gave a reasonable estimate of the peak buckling load of 137 kN compared to the test peak of approximately 117 kN. The panel stochastically analysed predicted a mean buckling load at collapse of 114 kN, this compares well with the test of 117 kN.The stochastic analysis of the panel using LS-OPT considered the theoretical variance of 11 variables with respect to the peak buckling load and concluded that while nine of the variables had significant effect on the axial capacity the three variables that represented 47% of the total variability were easily controlled in the manufacturing process. These variables were three of the four ply orientation angles (0°, 45° and -45°). Further work expected on this topic is to determine the effects of higher order Metamodels on the stochastic results and progress the understanding on the differences between nonlinear static and dynamic analysis methods for quasi-static loadings.REFERENCES1.R. Degenhardt, R. Rolfes, R. Zimmerman and K. Rohwer, “COCOMAT –Improved MAT erial Exploitation at Safe Design of CO mposite AirframeStructures by Accurate Simulation of CO llapse,” Comp. Struct., 73, 178-178,2006.2.COCOMAT Home Page, www.cocomat.de, 2007.3.LS-DYNA Keyword User's Manual Version 971, Livermore SoftwareTechnology Corporation, Livermore, 2006.4. A. C. Orifci, R. S. Thomson, A. J. Gunnion, R. Degenhardt, H. Abramovichand J. Bayandor, "Benchmark finite element simulations of postbucklingcomposite stiffened panels”, In: Proceedings of the Eleventh AustralianInternational Aerospace Congress (AIAC-11), Melbourne, 13-17 March 2005.5. C. C. Chamis and G. H. Abumeri, "Probabilistic dynamic buckling ofcomposite shell structures”, Composites Part A: Applied Science andManufacturing 36, 10, 2004.6.LS-OPT User's Manual Version 3.1, Livermore Software TechnologyCorporation, Livermore, 2006.。