缝合复合材料弹性性能分析细观模型.doc

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1、缝合复合材料弹性性能分析细观模型郑锡涛张建锋李庆利（西北工业大学航空学院118信箱，西安710072）Email：zhengxt@nwpu.edu.cn029-88495994摘要：本文从细观力学出发，考虑缝合引起的铺层纤维的面内弯曲和非均匀分布，通过细观力学和面内平均刚度的方法，计算出不同角度铺层的弹性性能，将这些弹性性能作为三维细观分析的基本数据参数，这样在三维有限元分析中便间接考虑了缝线对面内纤维走向的影响。取出缝合复合材料单胞，通过对其进行适当的结构简化后，建立了三维几何模型。用ANSYS软件建立相应的有限元分析模型，并运用基于能量法的公式计算出此单胞的弹性性能。

2、通过计算，用得到的数据与试验值的对比可知，此方法能较好地估算出缝合复合材料的弹性性能。可以用来分析缝线对复合材料弹性性能的影响。关键词：缝合复合材料层合板，弹性性能，单胞，细观力学，三维有限元1引言缝合复合材料是为提高复合材料层合结构的抗冲击性能、增强其层间强度而出现的一种新型复合材料结构，有望得到广泛应用。复合材料基本力学性能的分析研究是缝合复合材料结构设计的重要基础。缝合复合材料层合板力学性能的研究以试验分析为主，理论研究并不太多，这主要是由于缝合给层合板力学性能所带来的影响与许多因素有关，其影响机理还不完全清楚。一些国外研究人员指出缝线对碳纤维增强复合材料的强度影响

3、不是很明显[1-3]。在用计算机建模求解缝合复合材料的力学性能时，缝线对面内纤维走向影响的合理模拟至关重要。燕瑛等[4，5]用流场模型描述缝合引起面内纤维的变形和分布。桂良进等[6，7]通过考虑缝合引起的铺层纤维的面内弯曲和非均匀分布，分析了缝合参数(如缝合行距、针距和缝线半径)对等效弹性常数的影响。还有研究人员将缝线模拟成正八棱柱且通过给出相应边界条件来计算缝合复合材料的力学性能[8]。2缝合单层板的有效弹性常数分析前面曾提到，前人针对缝线对纤维走向的影响提出了许多模型，在此次研究中，便利用桂良进等人提出的分析模型[6]，提出修正方法。在本次研究中将考虑实际情况，将纤维

4、看成是横观各向同性材料。同时先暂时除去缝线部分，先平均其它部分的刚度。缝线刚度部分对缝合复合材料刚度的影响将在三维细观分析中加以考虑。图1所采用的分析模型[6]在本文研究中将代表单元体分3个部分（如图1）：Ⅰ纤维区、Ⅱ富树脂区和Ⅲ缝线区。在本篇论文中便通过面内平均刚度法平均Ⅰ和Ⅱ两部分的刚度，而暂不考虑缝线部分刚度对单层板刚度的影响（这一影响将在三维有限元分析时加以考虑）。为计算代表单元体的有效弹性常数，将其沿x、y方向划分为无限小的微元dx×dy，每个小微元可以看作偏轴单层板。其弹性性能由复合材料细观力学给出。3缝合层合板弹性性能三维有限元细观分析3.1细观几何结构缝合

5、层板可以看成是由周期性排列的单胞组成，如图2，单胞边长分别为针距p和行距q。图2缝合层板的周期性单胞图3缝线的实际形状此次便是取其中的一个单胞建立分析模型。本文研究的缝合复合材料复合材料单胞的尺寸为长3mm，宽5mm，高2.4mm。另一个单胞尺寸为长3mm，宽5mm，高5.4mm。参照图3缝线的照片，将缝线截面模拟成矩形，比圆形接近实际形状，且可以简化分析过程。而且由于上下表面的缝线两个主方向的模量与0度铺层两个主方向上的模量比较接近，且占的比例较小，因此假设其与层合板的弹性性能相同，不再体现在模型中。如下图4所示，为缝合复合材料单胞的立体几何模型。图4有限元分析模型图5

6、有限元模型3.2缝合复合材料单胞有限元模型的建立根据缝线和层板的尺寸，把缝合复合材料层板单胞离散化，生成有限元模型，如图5所示，在模型中将缝线和层板分别考虑，层板的每一层为具有一定厚度的一层体元，若干层这样的体元重叠在一起，缝线为直棱柱，将缝线简化为矩形截面，实际纤维束截面形状为双凸透镜，圆形截面与实际细观结构相差甚远，矩形截面更接近实际情况（如图3），而且还会大大减小计算工作量。缝线为1500旦的Kevlar49纤维，其横截面积分别为0.12。层板体元采用8节点三维有限元，各层层板材料特性已经通过第2节求出，于是整个模型由两部分组合而成，通过共用节点连接。Z向缝线为两根

7、，因为两根缝线之间的间隙很小，故按一根进行简化。依据纤维和树脂的基本性能各单层的性能采用公式分析得出。图5便是利用ANSYS软件建立的有限元分析模型，采用SOLID46单元，并将第2节算得的单层板弹性性能附给相应铺层的材料。由于计算的两个算例铺层数不同，因此分别列出两个划分网格后的模型。对于铺层结构为[0/90]4s的缝合复合材料的单胞，单胞为16层，尺寸为长：3mm；宽：5mm；厚：2.4mm，其模型有限元网格总数为：6064；层板的单元数为：5968，缝线的单元数为：96。对于铺层结构为[0/45/0/45/90/-45/