晶须长径比对复合材料力学行为影响的模拟.pdf

《晶须长径比对复合材料力学行为影响的模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第35卷第3期煤炭转化Vo1．35No．32012年7月COALCONVERSIONJu1．2012晶须长径比对复合材料力学行为影响的模拟王永祯”蔡晓岚。王爱玲。摘要在单向晶须增强树脂基复合材料的轴对称模型和已有研究成果基础上，利用有限元分析方法，研究该类复合材料中晶须长径比的变化对材料整体力学行为的影响．结果表明：1)晶须长径比对晶须应力作用明显大于对基体的影响；2)晶须的长径比h／r≤30时，随着晶须长径比的增大，发生在晶须端部处的集中应力急剧增加；但当长径比h／r≥30时，长径比的进一步增加对集中应力影响不大；3)随着晶须长径比的增大，界面剪切应力减小，分布曲线下移；但

2、当长径比h／r>~3O时，长径比的进一步增加对剪切应力影响不大；4)随着晶须长径比的增加，复合材料的拉伸强度逐渐增大．关键词有限元分析，长径比，集中应力，剪切应力，拉伸强度中图分类号TB332，TB301十10r，h／r为晶须的长径比．在计算中，设定晶须0引言的直径保持不变，故晶须长度的变化可以反映晶须的长径比的变化，模型也具有不同的尺寸．在晶须增强树脂基复合材料中，晶须长径比是Z一个较为重要的结构参数．[1为了保证具有足够的增强效果，晶须必须达到一定的长径比．要确定合理T的晶须长径比，必须对晶须长径比的变化对晶须增强树脂基复合材料力学行为的影响规律有清楚的认识．[2]本研究

3、在单向晶须增强树脂基复合材料的轴对称模型和已有研究成果基础上，利用有限元方法，研究了一定SiC晶须体积比下，不同长径比的SiC晶须对SiC／光敏树脂复合材料应力分布的影响，为图1轴对称模型此类复合材料的优化设计提供一定的理论基础．Fig．1Theaxisymmetricmodel1．2边界条件1实验部分令Z为模型的轴向方向，X为模型的径向方1．1轴对称模型向，树脂基体半径为R，高为H，SiC晶须半径为r，本实验只针对单向晶须增强树脂基复合材料进高为h．模型的位移边界条件为：行研究．由于利用Ansys有限元软件，模型建立过』I一(1)程需要考虑的因素仅包含模型选用、单元网格化、

4、边uxIx：。一0界条件处理、加载方式和分析方法选择等．[3]鉴于结式中：U和U分别为Z向和X向的位移．构的对称性，取其模型的i／4分析(见图1)．沿z向施加面载荷O'o，模型的应力边界条件为：网格单元采用8nodeplane82单元，为了保证O'ZIz—H一0"o(2)计算精度的要求，不同长径比晶须的物理模型剖分2结果与讨论节点数不低于15000，单元数不低于5000．在复合材料应力分析时，取模型中各尺寸为：R=1Or，H一在分析中，假定光敏树脂基体为双线性随动强*山西省自然科学基金资助项目(20051028)、山西省科技攻关项目(20090321031)和太原市科技资助项

5、目(120164037)．1)博士、副教授；2)硕士生，太原理工大学材料科学与工程学院，030024太原；3)教授、博士生导师，中北大学机械工程与自动化学院，030051太原收稿日期：2012—03—17；修回日期：2012—05—2O第3期王永祯等晶须长径比对复合材料力学行为影响的模拟95化材料，并遵循VonMises屈服准则．同时，还假定最大集中应力影响不大．树脂基体与晶须界面结合良好，并且不考虑残留热应力的影响．有限元计算使用的材料参数为：基体，弹性模量E===1．67GPa，泊松比===0．2，屈服强度d一3．5MPa；SiC晶须为理想的弹性材料，弹性模量Ef一410

6、GPa，泊松比f一0．17．令外加应力o'0—0．8MPa，模拟晶须在复合材料中的体积分数为12．5时，不同长径比晶须的物理模型在拉伸过程中的应力分布．图3不同长径比时晶须的应力集中系数2．1长径比对复合材料轴向应力的影响Fig．3Stressconcentrationcoefficientsdistributioncurve图2是晶须长径比不同时，复合材料轴向应力withdifferentaspectratio的分布曲线．其中，Z／S表示复合材料上某点距复2．3长径比对界面剪切应力的影响合材料模型中心点的轴向相对距离．当单向复合材料轴向受载时，由于晶须与基体的弹性模量不匹配

7、，会在平行于晶须轴向的平面内产生剪切应力．[5图4为不同长径比时，晶须界面剪切应力的分布曲线．其中，z／表示晶须上某点与晶须中心点的相对轴向距离．岂、嚣昱图2不同长径比时复合材料轴向应力的分布曲线Fig．2Axialstressdistributioncurvewithdifferentaspectratio■——^／r一10：1；●——^／r一20：1；▲——^／r一30；1；’—一——^／r==40：1；●——^／r==50：1由图2可知，随着SiC晶须长径比的增大，复合图4不同长径比时晶须界面剪切