碳纤维复合材料强度的有限元模拟
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碳纤维复合材料强度的有限元模拟
2011年1月
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A N S Y S 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N O L 环进行了拉伸破坏载荷下的强度计算, 给出N O L 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23. 6%和5. 6%,表明接触分析技术比较精确。
关键词:碳纤维复合材料;N O L 环; 有限元分析
中图分类号:TB 332 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2011) 01-0020-04
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]
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N O L 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。.
环基本参数
拉伸试验是将N O L 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N O L 环的拉伸强度。试件尺寸、试验设备和操作要求按照G B /T1458-2008《纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法》
[6]
等人为了研究腐性环境对C F R P 力学性
[2]
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
等人对复合材料进
[3]
行了拉-拉疲劳性能试验; 杨玉蓉等人通过试验对
T 300与国产P A N 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]
的
规定进行。本文所采用的N O L 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T a b l e 1 Pr o p e r t i e s d a t a o f m a t e r i a l
E P aE P aE P aG P aG P a G P a μ1/G2/G3/G12/G23/G13/G12
130
10
9
5
5
5
0. 3
μ230. 3
μ130. 02
等人利用A N S Y S 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(N a v a l O r d n a n c e L a b o r a t o r y ) 首先使用的, 故称之为N O L 环
[5]
。本文
半径R /mm 75
表2 NO L 环结构数据T a b l e 2 St r u c t u r e d a t a o f N O L -r i n g
宽度b /mm 6
厚度t /mm 1. 6
缠绕角度
/°90
单层厚度/mm 0. 2
层数
在已知材料性能参数的条件下, 对N O L 环的拉伸试验进行A N S Y S 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。
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收稿日期:2010-03-05
作者简介:李玮(1983-) , 男, 硕士研究生, 主要从事有限元计算和压力容器设计。
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为保证单元形状规则, N O L 环采用映射网格划分, 模具采用扫略网格划分。在应用节点耦合技术时, 应保证N O L 环内圆面和模具外圆面上的环向节点数目相等。为了与实际情况相近, N O L 环周向应划分较少份数, 但考虑A N S Y S 分析的特点和技术要求, 网格稀疏会带来求解精度降低和单元畸变等问题, 因此, 通过试算, 最终将N O L 环周向划分为15
图1 NO L 环结构简图F i g . 1 St r u c t u r e s k e t c h o f N O L -r i n g
等份。分析中假设复合层层间不产生滑移, 各单层按平面应力状态分析。
有限元模型如图3所示, N O L 环内侧节点与模具接触面节点进行位移耦合。整个模型单元数为2130, 节点数为2994。
. 采用节点耦合技术进行分析
耦合是将一组模型节点定义为具有相同自由度值的技术。在耦合的自由度上这些节点相当于一个完全刚性的约束关系, 保证其在耦合自由度上相对位移为零。为了模拟套在分离盘上的N O L 环在相对拉伸时的状态, 将N O L 环内圆面的节点和模具外圆面的节点进行位移耦合, 即在拉伸时N O L 环与模具之间没有相对滑动。显然这种方法与试验不完全相同, 但该分析方法网格数量少, 分析效率高。1. 2. 1 实体模型
根据文献[6]的规定建立N O L 环试件和试验模具的有限元分析模型。由于结构、载荷、约束的对称性, 只需建立1/2模型进行分析。模具简化为半圆饼, 拉伸力表达为作用在半圆饼直径上的断面压力P 。实体模型和边界条件见图2。
图3 节点耦合有限元模型
F i g . 3 Fi n i t e e l e m e n t m o d e l o f n o d e c o u p l i n g
1. 2. 3 边界条件
由于结构对称, 在N O L 环边缘施加对称约束(见图2中“S”) 。假设模具完全刚性, 没有变形, 故模具两侧面施加位移约束, 只允许沿载荷方向移动, 即U X =U Y =0, U Z ≠0。边界条件见图2。1. 2. 4 计算结果
图2 实体模型和边界条件示意图
F i g . 2 Il l u s t r a t i o no f s o l i d m o d e l a n db o u n d a r y c o n d i t i o n
1. 2. 2 单元选择及网格划分
钢模具选用S O L I D 45单元, N O L 环选用S O L -I D 46单元。S O L I D 45为8节点三维实体单元, 能够
较好地模拟钢模具。S O L I D 46为8节点三维实体单元, 用于模拟复合材料层合结构, 最多允许定义250层不同的材料。此单元可以定义复合材料各层厚度、各层材料方向角和正交各向异性材料属性。
图4 NO L 环节点耦合模型应力强度云图
F i g . 4 St r e s s d i s t r i b u t i o no f N O L -r i n g n o d e c o u p l i n g m o d e l
将试验中N O L 环拉伸破坏的平均载荷48000N 施加在模型上(即在模具端面施加32M P a 压力) , 则应力强度最大值出现在N O L 环的边缘处, 数值为3090M P a , 如图4所示。
F R P 2011o . 1
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. 采用接触模型进行分析
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现在N O L 环模型中靠近对称约束的两端内表面上, 数值为2640M P a , 而最小值出现在N O L 环模型的中心位置, 应力强度云图如图6所示。N O L 环被拉伸后, 靠近对称约束的部分逐渐脱离模具, 呈近似直线形态, 与试验情况接近。由于N O L 环内外表面曲率不一致且N O L 环内表面与模具外表面在拉伸过程中产生摩擦, 故最大值出现在截面的内表面处。
接触分析属于非线性分析, 计算周期较长。W u
[7]
E n b a o 等人对层合板与刚性球体之间的接触问题进行了研究。G e D 等人对硼/碳化物在接触载荷下的结构损伤进行了研究。前面已讨论的节点耦合方法是将N O L 环内圆面的节点和模具外圆面的节点自由度(位移) 耦合, 它们之间没有相对滑动。但在实际拉伸过程中, N O L 环与模具间的接触面会发生相对滑移, 对应节点也会产生错位。故节点耦合的方法与实际情况相比会产生较大的误差。针对这一问题, 可采用在N O L 环与模具表面建立接触的方法来解决。1. 3. 1 实体建模
同1. 2. 1。
1. 3. 2 单元选择及网格划分
单元选择同1. 2. 2。为保证单元形状规则, N O L 环使用映射网格划分, 模具使用扫略网格划分。为提高计算精度, N O L 环周向划分为100等份。在这里假设复合层层间不产生滑移, 各单层按平面应力状态分析。有限元模型如图5所示, 整个模型单元数为5904, 节点数为7521。
[8]
图6 NO L 环接触模型应力强度云图F i g . 6 St r e s s d i s t r i b u t i o no f N O L -r i n g c o n t a c t m o d e l
为研究N O L 环在拉伸时周向各点的应力变化情况, 选取N O L 环环向断面内侧弧线作为路径, 由于结构对称, 此路径可以取半个弧线, 即从A 至B 的弧线, 如图6所示。应力沿路径方向变化曲线如图7所示, 图中横坐标代表从A 到B 的距离, 纵坐标
代表应力的大小。
图5 接触单元有限元模型
F i g . 5 Fi n i t e e l e m e n t m o d e l o f c o n t a c t e l e m e n t s
1. 3. 3 建立接触N O L 环内表面与模具外表面之间的接触为面面接触, 取N O L 环内表面为目标面, 模具外表面为接触面建立接触模型, 使用T A R G E 170和C O N -T A 174来定义此接触对, 接触单元数为300, 通过设置一系列接触参数, 进行非线性求解。1. 3. 4 边界条件同1. 2. 3。1. 3. 5 计算结果
同样将拉伸破坏载荷48000N 施加在模型上(即在端面施加32M P a 压力) , 则应力强度最大值出N 1
图7 周向应力分布曲线F i g . 7 Cu r v e o f c i r c u m f e r e n t i a l s t r e s s
由图7可见, N O L 环周向应力从A 到B 近似呈斜直线分布, 即在环中心处(A 点) 应力最小, 在边缘处(B 点) 应力达到最大值, 并在B 点左侧一段范围内近似保持不变。从A 到B , 在近环边缘处发生局部应力突变, 此部分位于环与模具完全接触到环与模具脱离的过渡处。由图6可见, 在此处N O L 环已
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脱离模具, 环近似处于纯拉伸状态, 即被拉成直线。可见, N O L 环对称截面(B 点所在截面) 最容易发生断裂。
利用接触非线性方法进行模拟, 模拟结果误差较小, 可以较好地模拟N O L 环的拉伸过程, 比较准确地预测N O L 环的拉伸强度, 符合分析要求。
通过以上分析可见, 利用A N S Y S 分析软件对复合材料结构的力学行为进行模拟是可行的。在本研究的基础上, 可以进一步对其他复合材料容器进行有限元分析, 特别是对复合材料气瓶、储罐等进行模拟, 这种模拟具有良好的预测能力和显著的经济效益。
参考文献
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[8]G e D , D o m n i c hV , J u l i a n oT . S t r u c t u r a l d a m a g e i nb o r o n c a r b i d e u n -d e r c o n t a c t l o a d i n g [J ]. A c t a M a t e r i a l i a , 2004, (52) :3921-3927.
2 试验结果及分析
按照文献[6]的规定对N O L 环进行拉伸试验,
N O L 环在纤维方向的拉伸强度σt 按下式计算:
P B
σt 2b t
式中, P b 、t同表2。B 为拉伸破坏载荷; 经试验测定, N O L 环拉伸破坏载荷的平均值为48000N , 则由式(1) 计算出该N O L 环的拉伸强度为2500M P a 。节点耦合技术和接触模型分析计算所得的拉伸强度分别为3090M P a 和2640M P a , 与试验值
的误差分别为23. 6%和5. 6%,如表3所示。
表3 计算与试验结果对照表T a b l e 3 Co m p a r i s o n b e t w e e n s i m u l a t i o nr e s u l t a n dt e s t r e s u l t
计算最大应力值/MP a 试验值/MP a 误差/%
节点耦合技术分析接触模型分析
30902640
25002500
23. 65. 6
(1)
3 结 论
A N S Y S 对N O L 环拉伸试验的数值模拟结果与试验结果对比如表3所示。可见, 利用节点耦合的方法进行模拟, 模拟结果与真实情况相差较大, 但此方法简单, 可以较好地预测分析结果, 具有一定的探索意义。
F I N I T EE L E M E N TS I MU L A T I O NF O RT H ES T R E N G T HO F
C A R B O NF I B R EC O M P O S I T EMA T E R I A L
L I W e i , D U A NC h e n g -h o n g , W UX i a n g
(C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g , B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y , B e i j i n g 100029, C h i n a )
A b s t r a c t :C a r b o n f i b r ec o m p o s i t em a t e r i a l s a r em o r e a n dm o r e u s e di ni n d u s t r i e s , b u t t h e r e s e a r c ho nt h e p r o p e r t i e s i s n o t d e e p e n o u g h . T o s a v e t e s t c o s t , i t i s n e c e s s a r y t o c a r r y o u t t h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n f o r t h e m a t e r i a l s
w h i l e p e r f o r m i n g e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n .I nt h i s p a p e r , u l t i m a t e s t r e n g t ho f a c a r b o nf i b r e c o m p o s i t e m a t e r i a l w i t h a s t a n d a r d t e s t i n g N O L -r i n g w a s c a l c u l a t e d n u m e r i c a l l y b y u s i n g A N S Y S s o f t w a r e w i t h t w o s i m u l a t i o n m e t h o d s , n a m e l y n o d e c o u p l i n g a n d c o n t a c t i n g . C i r c u m f e r e n t i a l s t r e s s e s a l o n g t h e N O L -r i n g w e r e g i v e n . R e s u l t s s h o wt h a t e r -r o r s b e t w e e n t h e t w o s i m u l a t i o n s a n d t h e t e s t r e s u l t s a r e 23. 6%a n d 5. 6%r e s p e c t i v e l y , i n d i c a t i n g t h a t u s i n g c o n -t a c t i n g m e t h o d i s m o r e p r e c i s e .
K e y w o r d s :c a r b o n f i b r e c o m p o s i t e m a t e r i a l ; N O L -r i n g ; f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s
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