碳纤维复合材料强度的有限元模拟
碳纤维复合材料强度的有限元模拟
FR M N 碳纤维复合材料强度的有限元模拟
李
玮,段成红,吴
祥
(北京化工大学机电工程学院,北京
100029)
摘要:碳纤维复合材料在工业上的应用越来越广,但对其材料性质的研究还远不充分。为了节省试验经费,应在进行必要试验的同时对碳纤维复合材料的性质进行模拟计算。本文针对一标准试验,利用ANS YS 软件的节点耦合技术和接触分析技术分别对某碳纤维复合材料制成的NOL 环进行了拉伸破坏载荷下的强度计算,给出NOL 环上各点的周向应力。结果发现,这两种模拟方法与试验值的误差分别为236%和56%,表明接触分析技术比较精确。
关键词:碳纤维复合材料;NOL 环;有限元分析中图分类号:TB332
文献标识码:A
文章编号:
1003-0999(2011)01-0020-04
收稿日期35
作者简介李玮(3),男,硕士研究生,主要从事有限元计算和压力容器设计。
复合材料性能的基本特点是各向异性、可设计性,这些特性以及它们所引起的特殊力学行为与各向同性材料有很大区别,因此,对复合材料力学行为的研究就显得十分重要。
目前,对复合材料性能的研究主要依靠试验手段。于峰
[1]
等人为了研究腐性环境对CFRP 力学性
能的影响,对其进行了在普通环境、碱环境和氯离子环境下的耐久性试验;潘利剑
[2]
等人对复合材料进
行了拉拉疲劳性能试验;杨玉蓉[3]
等人通过试验对
T300与国产PAN 基碳纤维的性能进行了比较。
为了获得复合材料力学研究所必需的材料性能数据,需要对复合材料的基本性能做试验研究。复合材料基本力学试验所需要的试件有两种,一种是单向薄平板试件,一种是单向环形试件。王璐璐
[4]
等人利用ANS YS 软件对复合材料层合板静压入破坏机制进行了研究,模拟仿真结果与试验结果吻合较好。目前,对试件的有限元模拟研究主要集中在薄平板试件,对环形试件的研究还很少。随着纤维缠绕技术的发展,单向环形试件得到了广泛的应用。环形试件是由美国海军军械实验室(NavalO rdnance Laborator y)首先使用的,故称之为NOL 环
[5]
。本文
在已知材料性能参数的条件下,对NOL 环的拉伸试验进行ANS YS 数值模拟,并将计算结果与试验值进行对比分析以确定其可靠性。同时,通过数值模拟,希望达到即便减少试验次数也能较精确地预测试件拉伸强度的目的。
1有限元分析
本文采用节点耦合和接触分析两种方法模拟NOL 环的拉伸试验过程。这两种方法的建模和物理概念不同,计算结果也不同,通过与试验数据的对比,希望找出较为合理、准确的方法。11NOL 环基本参数
拉伸试验是将NOL 环放在两个相同半圆形分离盘的环形槽内,对分离盘进行相对拉伸,测得拉伸破坏载荷,进而计算出NOL 环的拉伸强度。试件尺寸、试验设备和操作要求按照GB /T 14582008纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法
[6]
的
规定进行。本文所采用的NOL 环材料性能数据如表1所示,结构数据如表2所示,结构简图如图1所示。
表1材料性能数据Tab l e 1
P ro perties da ta of m ater i a l
E 1/GPa E 2/GPa E 3/GPa G 12/GPa G 23/GPa G 13/GPa 12
23
13
130
10
9
5
5
5
0.30.30.02
表2NOL 环结构数据
Tab le 2
Structure data of NOL r i ng
半径R /m m 宽度b /m m 厚度t /m m 缠绕角度
/!单层厚度
/mm 层数
75
6
1.6
90
0.2
8
20
2011年1月
P /C 2011o 1
:201000:198