基于ANSYS铺层方向对复合材料的力学影响分析

2017-03-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

1引言

复合材料是一种多相材料,由多种性质极不相同的材料组成。先进的复合材料在本世纪60年代初才发明,最具代表性的为聚合物为基的高性能的碳纤维和硼纤维复合材料。

纤维和基体的力学性能有很大的差异,他们组合起来构成的纤维增强复合材料在弹性常数、线膨胀系数及强度特性方面必然会表现出明显的各向异性。通过对纤维取向的设计制成的复合材料结构会出现程度不同的各向异性,复合材料性能的可设计性,是复合材料所特有的主要优点。纤维复合材料是由两种或两种以上不同强度和模量的材料所构成,在纤维和基体材料选定后,尚有许多材料参数和几何参数可变动,而且形成层合结构时每一层的铺设方向又可随意安排,这样就可以人为的改变组分材料的种类、含量,以及铺层方向和顺序。在一定范围内满足设计中对材料强度、刚度和方向性的要求,可是结构的性能、重量和经济指

标等都做到合理的优化组合。为设计人员提供了一种在一定范围内可随意设计的材料,达到结构设计与材料设计高度统一的优化设计的目的。

冲击现象的共同特点是载荷强度高,作用时间短,尤其作用时间短是区别于其他一般力学现象的重要特征。在冲击现象中,作用时间一般为毫秒、微秒,甚至毫微秒数量级,在这么短时间内完成施加高强度载荷,以及在被作用物体内造成极高的压力或应力,引起被作用物体内介质运动和材料破坏,这是一系列随时间变化的动态过程。与冲击效应有关的主要复合材料层合板的材料参数,是层合板的密度和硬度等。密度越大、硬度越高,由地面冲击反射所造成的层合板破坏程度越严重,对于小质量、高速撞击的弹体来说,高强度合金钢、钨合金和铀合金才是制作弹体的理想材料。本文研究了不同铺层方式对其力学性能的影响规律。

2模型的建立与计算

如图1所示,给出了层合板的有限元模型,在ansys有多个单元可以模拟复合材料,本文选取SHELL99单元来模拟层合板这个力学模型。本文的层和板共分为四层,每层的厚度为0.002m,长度和宽度都为0.25m。

图1层合板的有限元模型

图2层合板的有限元模型的载荷

本文的模型的计算边界条件:四边固定;在面上受到均匀的压力其大小为1e5pa。表1给出了复合材料的性能参数。

基于ANSYS铺层方向对复合材料的力学影响分析ansys workbanch图片4

图3给出了铺层方向为0/90/45/0的各层的等效应力。由图可知:第一层的最大等效应力为0.117E9Pa;第二层的最大等效应力为0.627E8Pa;第三层的最大等效应力为0.747E8Pa;第四层的最大等效应力为0.114E9Pa。从以上数据可知:层合板的第一层和最后一层的应力最大,第二层的应力最小。

图4给出了铺层方向为0/45/45/0的各层的等效应力。由图可知:第一层的最大等效应力为0.114E9Pa;第二层的最大等效应力为0.739E8Pa;第三层的最大等效应力为0.749E8Pa;第四层的最大等效应力为0.114E9Pa。从以上数据可知:层合板的第一层和最后一层的应力最大,第二层的应力最小。

基于ANSYS铺层方向对复合材料的力学影响分析ansys workbanch图片5

图5给出了铺层方向为0/90/90/0的各层的等效应力。由图可知:第一层的最大等效应力为0.117E9Pa;第二层的最大等效应力为0.635E8Pa;第三层的最大等效应力为0.635E8Pa;第四层的最大等效应力为0.116E9Pa。从以上数据可知:层合板的第一层和最后一层的应力最大,第二层的应力最小;铺层方向角相同的层其最大等效应力也相同。