碳纤维增强树脂基复合材料力学性能预测.pdf.pdf

第 28卷第 9期甘肃科技 Vol28 No9
2012年 5月 GansuScienceandTechnology May 2012
碳纤维增强树脂基复合材料力学性能预测
张旭东,李旭东,张赋
(兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州 730050)
摘要:利用有限元软件 ABAQUS作为建模计算平台,应用 Python语言编程,实现了纤维增强复合材料有限元模型
中纤维体积分数含量的控制和各向异性材料局部坐标与整体坐标下输出变量的转换,对碳纤维增强树脂基复合材
料的基本力学性能进行了预测,提出了预测纤维增强复合材料基本力学性能的新方法。可对不同性能的纤维、基体
材料、不同纤维体积分数含量、不同纤维铺设铺层角度、不同加载方向的纤维增强复合材料的力学性能进行预测。
关键词:纤维增强;力学性能;abaqus;python;仿真模拟
中图分类号:TB3023
复合材料是由两种或两种以上的单一材料,用整的思路与方法。
物理或化学方法经人工复合而成的一种材料,它通
常是由高强度、高模量、高脆性的增强材料和低强 1 试验的有限元建模
度、低模量、低韧性的基体材料经过一定的成型加工在 ABAQUS中生成实际铺层结构代表性体积
方法制成,目的在于提高单一材料所不能发挥的各单元(RVE)几何模型,如图 1所示。利用自开发脚
种特性[1]。特别是可以通过选择不同性能的基体、本程序控制碳纤维的体积分数含量为 50%。
纤维以及调节纤维编织参数、纤维体积含量、纤维铺
层铺设角度等参数,制成具有特定性能的复合材料,
具有很强的可设计性[2]。碳纤维环氧树脂编织复
合材料作为一种先进的复合材料,已在航空航天、汽
车、体育用品等现代高新技术领域中得到广泛的开
发与应用,原因在于其在服役过程中具有很好的尺
寸稳定性和使用耐久性[3,4]。基于碳纤维增强复合
材料的诸多优点和其广泛的应用价值,使得对其力
学性能的研究变得尤为重要[5]。国际先进复合材
料技术目前的发展更倾向于利用虚拟技术,在我国
a试样几何 b试样网络
复合材料技术还没有达到数字化设计和制造的程
图 1 RVE几何模型
度,复合材料产品的生产主要采用传统的设计和制
造技术,与有很大的差距[6]。 2 试验的有限元计算
ABAQUS是目前国际上最为先进的大型通用非
21 拉伸性能试验
线性有限元分析软件之一,以精于分析复杂问题和
利用实际结构层 RVE预测复合材料的拉伸模
非线性问题见长。Python是一种面向对象的脚本语
量、泊松比和拉伸强度。在 ABAQUS中建立好 RVE
言,具有开源、自由、可读性强、便于学习和快速编程
几何模型,按照纤维铺设方向赋予材料方向,加载边
的优势[7,8]。国内外一些学者利用有限元软件
界条件进行拉伸性能预测。
ABAQUS及 python语言对复合材料从微观组织结
211 拉伸模量、泊松比预测
构到宏观力学响应进行了研究,实践证明是可行的。
预测弹性模量、泊松比对应于应力应变曲线上
本研究是基于本课题组特色技术与国家/行业
的弹性阶段。这一阶段,应力σ与应变ε成正比,
标准的基础上,以有限元