基于ANSYS的纳米复合材料力学行为模拟与分析

基于ANSYS的纳米复合材料力学行为模拟与分析

李鹤飞 任伟光 王超

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，100083）

摘要：纳米碳管具有良好的力学性能，存在着非常广阔的应用前景。本文主要是基于ANSYS实现对纳米碳管含氧树脂基复合材料的力学行为进行数值模拟分析。由于纳米碳管和环氧树脂基体的材料的差异，从结果分析可以看出随着纳米碳管体积含量的增强，整个复合材料的整体弹性模量在不断的提高。同时通过对同一模型不同方向的单轴拉伸数值模拟结果的不同，来验证各项异性的存在。

关键词：纳米碳管；弹性模量；ANSYS；网格划分；应力云图

一、 模型的建立和网格划分

从图1的电镜图片中可以看到真实的纳米碳管是相对均匀但是杂乱无规律的分部在环氧树脂基体中，要实现纳米碳管环氧树脂基增强复合材料的建模，要对其进行相对的简化。

图1 电镜中观察到的纳米碳管 图2全部划分完网格的模型

二、 模型材料参数的确定

20节点的brick 20node 186是最为理想的单元类型，因为它可以建立有中间节点的六面体单元和四面体单元，同时也可以建立和乳酪形状类似的一些几何形状不完全规整的单元[1-2]。

三、 数值模拟结果分析

由于所建模型纳米碳管的含量较低，同时空间排布并不均匀，所以对同一模型不同方向加载相同的位移载荷，上表面节点的合拉力也会有所不纳米碳管虽然是一根在空间中光滑弯曲的同，表现出一定的各向异性【3】【6】。

经过计算之后可以在通用后处理器中得到两组位移云图。图3和图4依次为同一模型沿Y轴加载和Z轴加载，图3中Y轴为与纳米碳管截面平行的方向，为Y轴的整体位

移云图。而在图4中，Z轴方向为与纳米碳管的径向方向，位移云图为Z轴的位移云图。

图3 沿Y轴加载的模型的整体Y轴位移云图 图4 沿Z轴加载的模型的整体Z轴位移云图 表1 同样体积含量模型不同方向加载的约束反力

组别 Y轴拉伸模型 Z轴拉伸模型纳米碳管体积含量（%） 1.135 1.135

约束反力（ N） 88．346 88．902

名义弹性模量（GPa） 4.206 4.233

径向产生模型的这种各项异性的原因我分析为纳米碳管在基体中类似于一根弯曲的钢筋在混凝土中类似的作用，由于纳米碳管的弹性模量比环氧树脂基体要大，在沿Z轴方向（纳米碳管长度延伸的主要方向）起到抑制拉伸的作用，而在Y轴方向环氧树脂基体承受主要的载荷，所以需要的拉力会小一些。

四、 结论

对同一载荷在不同方向加载同样位移载荷的数值模拟可以得到不同的约束反力，证明了由于纳米碳管在空间排布的不确定性导致了复合材料存在一定的各项异性的结论。同时比较约束反力的大小，可以看到在对纳米碳管径向排布方向加载需要更大约束反力，说明了纳米碳管环氧树脂基增强复合材料在纳米碳管排布的径向方向的刚度更高。

参 考 文 献

1 徐明君碳纳米管力学性能的研究进展及应用[J] 北京工商大学学报 2005.7

2 成会明纳米碳管制备、结构、物性及应用[M] 化学工业大学出版社 2002.8

3 谢尊马庆敏刘英李有成单壁碳纳米管的结构与稳定性[J] 河北师范大学学报 2005.9

4 Xiang-gui Ni, Yu Wang, Zhong Zhang, Xiu-xi Wang Atomic Simulation of Structure and

Deformation`s Influence on the Mechanical Properties of Single-walled Carbon Nanotubesp[J] Chinese journal of chemical 2006.8

5 张田忠郭兴明径向压缩单壁碳纳米管的力学行为[J] 力学学报 2005.7

6 赵键勇碳纳米管的结构、制备及修饰[J] 科教前沿 2010.9

7 孙思凯吴永强碳纳米管的结构和可行性制备研究[J] 化学工程与装备 2011.6

8 高永刚施兴华赵亚溥碳纳米管的力学行为[J] 机械强度 2001.4