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浅析复合材料有限元仿真计算的应用方法

2020-07-03 16:42:36
复合材料有限元仿真计算的应用方法浅析


01
复合材料分类


复合材料可以定义为以一种材料为基体,其他材料为增强体,通过一定加工方法组合在一起而形成的一种宏观(微观)上新性能的材料,能够在性能上对单一材料优点进行利用,补短其某些性能不足,产生更好协同效应。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。复合材料现在越来越广泛应用于航天、汽车、游艇、风电、运动器材等领域。
02
 复合材料结构有限元计算方法


工程问题对承担较大载荷复合材料结构件需要进行校核设计,在模型制备之前利用有限元分析仿真会大大提高产品设计效率,以及通过优化设计方法给出好的设计空间和材料分布。复合材料的有限元分析一般可以考虑三种计算方法进行处理:微观方法、中尺度方法、宏观方法。


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图1 多种复合材料微元结构
  • 微观方法(Micro-Scale Approach)

微观方法(Micro-Scale Approach)是最详细的复合材料计算方案,定义纤维几何在基体中的角度、位置、材料属性并进行计算,图2所示是多种复合材料微元结构,但是这种计算方法对于大型设计产品的计算量是相当可观的,例如玻璃纤维增强复合材料风力发电机导流罩,玻璃纤维直径单位μm而导流罩尺寸直径在5-10米,虽然有限元法理论模拟系统结构力学(求解所有长度尺度)可行但目前可行性不高,无论是在现代计算硬件上还是在不久的将来,数量级差距明显所需计算单元数量将会像天文数字般庞大。
  • 中尺度方法(Meso-Scale Approach)

中尺度方法(Meso-Scale Approach)通过铺层设计、定义单层厚度、材料属性、铺层纤维角度等进行表达复合材料的设计,这种方法通常以如图3所示层合板复材计算为主。

中尺度计算方法能够进行的复合材料应力、应变、失效模式判定、层间失效、剥离等分析,例如图4所示是复材板折弯性能的渐进损伤分析计算结果。

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图2 复合材料层合板设计

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图3中尺度的计算方法渐进损伤分析
  • 宏观方法(Macro-Scale Approach)

宏观方法(Macro-Scale Approach)通常用于不考虑层间评估的整体应力、模态、屈曲等分析中。其中一种是通过计算微观胞元均质化材料参数转化为宏观各向异性或者非各向异性计算参数的方法,这使得复合材料产品初始设计和结构性能仿真具有了更好的依据。消除复合材料有限元分析中尺度问题的标准方法是均匀化,在所有的仿真方法中都存在尺度分离的假设,如果违背微尺度结构必须明显小于宏观尺度这一假设,微观和宏观尺度不能独立建模,这个假设对于复合材料和增材制造点阵设计都是合理的,所有计算中都是这个假设。应该指出有一个逆向过程称为去均质或局部化,研究结构在某一位置失效的原因将分析从宏观尺度转移到微观尺度,在更细层次上确定失效的原因。

以短切纤维复合材料均质化和随机UD复合材料均质化为例进行说明:

短切纤维复合材料均质化计算过程采用各向同性线性弹性基体材料和各向同性或横向各向同性(单向)线性弹性纤维材料组成。纤维是有限长度的圆柱体,假定纤维的长度和直径一致,纤维均匀分布于各个方向,纤维与基体材料之间完美结合,如图4所示。

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图4 短切纤维复合材料均质化
随机UD复合材料均质化计算过程由各向同性线性弹性基体材料和各向同性或横向各向同性(单向)线性弹性纤维材料组成。纤维是无限的、圆柱形的、相同纤维直径且平均方向为X方向,纤维与基体材料完美结合,如图5所示。

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图5 随机UD复合材料均质化
通过均质化后复合材料计算材料属性能够在复合材料制备结构零件进行宏观尺度上有限元模拟分析,计算成本大大降低;同时能够通过对复合材料基体、纤维比例可控进行参数化设计寻求较佳材料性能;这些都为未来3D打印复合材料技术广泛应用提供了良好前提。
03
复合材料有限元分析计算举例


以一个复合材料连接关节算例来说明中尺度方法、微观-宏观均质化方法的计算应用,连接关节结构包括结构卡钳、夹紧片、高强螺栓、管结构几部分组成。其中管结构常规铺层设计,采用复合材料中尺度方法计算方法,利用ANSYS CompositePrePost进行完成;夹紧片结构采用微观-宏观均质化方法,采用随机UD材料的均质化模型计算材料参数并基于材料单元方向赋予进行;卡钳结构采用微观-宏观均质化方法计算短纤维复合材料均质化材料参数进行;默认卡钳和夹紧片采用3D打印复材方法进行增材制造并进行表面光整机械加工,仿真模型中结构材料分布如图6所示。

求解计算采用ANSYS Mechanical进行,整体模型计算搭建考虑Connect接触连接和Joint运动关节设置,并建立相应位置约束,施加螺栓预紧力作用螺栓拉紧卡钳结构不断压紧夹紧片并作用在管结构,如图7所示。

求解计算结果如图9所示,采用微观-宏观均质化计算的卡钳结构材料属性接近各向同性能够直接进行等效应力、变形的观察,中间夹紧片计算结构采用主应力考虑纤维方向的应力状态,管结构采用ACP-Post逐层进行应力、应变观察和失效准则的评估。

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图6 仿真计算模型结构材料分布示意

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图7 计算边界和载荷

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图8 求解计算结果


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