基于ANSYS鋪層方向對復合材料的力學影響分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1引言

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。

纖維和基體的力學性能有很大的差異,他們組合起來構成的纖維增強復合材料在彈性常數、線膨脹系數及強度特性方面必然會表現出明顯的各向異性。通過對纖維取向的設計制成的復合材料結構會出現程度不同的各向異性,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。在一定范圍內滿足設計中對材料強度、剛度和方向性的要求,可是結構的性能、重量和經濟指

標等都做到合理的優化組合。為設計人員提供了一種在一定范圍內可隨意設計的材料,達到結構設計與材料設計高度統一的優化設計的目的。

沖擊現象的共同特點是載荷強度高,作用時間短,尤其作用時間短是區別于其他一般力學現象的重要特征。在沖擊現象中,作用時間一般為毫秒、微秒,甚至毫微秒數量級,在這么短時間內完成施加高強度載荷,以及在被作用物體內造成極高的壓力或應力,引起被作用物體內介質運動和材料破壞,這是一系列隨時間變化的動態過程。與沖擊效應有關的主要復合材料層合板的材料參數,是層合板的密度和硬度等。密度越大、硬度越高,由地面沖擊反射所造成的層合板破壞程度越嚴重,對于小質量、高速撞擊的彈體來說,高強度合金鋼、鎢合金和鈾合金才是制作彈體的理想材料。本文研究了不同鋪層方式對其力學性能的影響規律。

2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。

基于ANSYS鋪層方向對復合材料的力學影響分析ansys workbanch圖片4

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。

基于ANSYS鋪層方向對復合材料的力學影響分析ansys workbanch圖片5

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。