复合材料仿真分析基础篇---概述

1、复合材料与有限元计算

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原组分材料的主要特色,又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能,与一般材料的简单混合有本质的区别。复合材料是在结构成形的同时形成的,因此,材料性能依赖于成形工艺,材料许用值与结构成形工艺密切相关,同时,所用材料/工艺的任何变化都有可能对结构性能带来变化。

复合材料仿真分析的优点:

△采用传统的等代设计(等刚度、等强度)、准网络设计等设计方法,复合材料的优异性能难以充分发挥。

△ 在复合材料结构分析中,已经广泛采用有限元数值仿真分析,其基本原理在本质上与各向同性材料相同,只是离散方法和本构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重的,包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。

△有限元分析软件,均把增强材料和基体复合在一起,讨论结构的宏观力学行为,因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为,以每一铺层为分析单元。


2、复合材料仿真模型及方法

△宏观力学分析方法

从材料是均匀的假定出发,仅从复合材料平均表观性能检验组分材料的作用来研究复合材料的宏观力学性能。将单向板看成均匀的各向异性材料,不考虑纤维与基体的具体区别,用其平均性能来表示单层材料的刚度和强度特性。可以比较容易地分析单层和叠层材料的各力学性质。

△细观力学分析方法

从分析组分材料之间的相互影响来研究复合材料的力学性能。由于实际纤维形状不完全规则和排列不完全均匀,制造工艺差异与材料内部的缺陷等,细观力学分析方法尚不能完全反应实际材料状况,故尚需进一步深入研究。

△复合材料结构力学分析方法

它从更粗略的角度,把叠层材料作为分析的起点,来分析复合材料结构的力学性能。它借鉴现有均匀各向同性材料结构力学的分析方法,对各种形状的结构元件进行分析。

此外,常用的分析模型(方法)还包括离散增强模型和子模型等,离散增强模型利用离散单元或其它建模工具(如 rebar )来建立增强模型,而子模型则主要用于分析增强纤维尖端的应力集中等问题。

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