玻璃纤维增强水泥复合材料弹性性能估计有限元研究

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1、玻璃纤维增强水泥复合材料弹性性能估计有限元研究　　摘要：玻璃纤维增强水泥（GFRC）具有抗拉、抗弯、抗冲击、重量轻等优点使其在土木工程领域得到应用，但因其结构复杂，对其物理性质的认识仅停留在实验阶段，缺乏深入的理论认识导致其应用受到限制。文章结合理论分析和数值实验模拟，对材料的有效弹性模量进行探讨。文章引入有效纤维增强系数，较好地模拟了GFRC的有效弹性模量，模拟结果符合实验测试值。关键词：玻璃纤维；水泥；有效弹性模量；复合材料1介绍GFRC（GlassFiberReinforcedCement）

2、玻璃纤维增强水泥，是一种以水泥为基材，以耐碱玻璃纤维为增强材料复合而成的新型建筑材料。该复合材料通过玻璃纤维增强材料的高强度、高模量、低拉伸等特性，使其以优良的机械性能在土木工程领域得到广泛的应用。8GFRC复合基材的各项异性和不均质性导致其复杂的机械性能。基于对材料缺乏充足的认识，工程界对材料机械性能的利用十分保守。目前材料的应用仅限于非结构构件。研究表明，对复合材料机械性能的估计是可行的，但由于缺乏简单的计算公式并考虑到其繁复的影响因素，这些方法未在工程领域得到应用。这个问题正是目前复合材料性

3、能研究的热点。确定复合材料有效弹性模量的基本因素有材料的体积比和各相的弹性模量。许多前期的理论研究表明，复合材料的弹性特性取决于各相的咬合关系、几何特性和其养护工艺。关于估计复合材料有效弹性模量的文献讨论都基于有效介质理论，它提供了对复杂面同质化的近似。许多经验参数被引入，以考虑结构不均质的影响。在实验观测中，复合材料的弹性模量的测定是困难的，特别是在确定复合材料的纵向和横向的剪切模量方面。因此，数值模拟方法往往被采用来预测材料的剪切模量。数值方法确定材料特性的方法通常涉及对典型体积单元（Repr

4、esentativeVolumeElement）的分析。在所有关于有效弹性模量的理论模型中，ROM方法（Ruleofmixture）获得了较简单的数学关系。在这些模型中，复合材料各相的体积分数以及各自的弹性模量是获得有效弹性模量的必要参数。必须指出，经验证明多数情况下这些模型并不能准确预测到满意的有效弹性模量，实验观察和分析也证实了这种不准确性。笔者认为，这种不准确性主要是因为缺乏对复合材料各相接触面的咬合作用的认识以及材料开裂后裂缝的不稳定性。2研究方法82.1理论方程ROM方法（Ruleofm

5、ixture）。ROM方法以数学表达式的方法通过复合材料各相的材性和数量给出一个单一属性。纵向弹性模量：公式12.2数值模拟典型体积单元用数值模拟方法确定复合材料的弹性模量的第一步是为确定典型体积单元。数值模拟的主要难题存在于对纤维的分布、应力集中到典型体积单元尺寸的确定。本文采用ANSYS13APDL模拟分析复合材料的有效弹性模量。2.2.1本文分析假设复合材料：宏观均质；线弹性；宏观纤维垂直面各相同性。玻璃纤维和水泥基质：均质；线弹性；各相同性。2.2.2模型参数GFRC采用喷涂法的生产工艺采

6、用直接喷涂法。喷涂分层进行，故GFRC的数值模型中纤维只在水平面任意分布，即纤维在其水平面的位置任意且不交叉。纤维长度均为20mm，故纤维均穿透体积单元。纤维在体积单元中的分布如图4所示。纤维直径0.01mm，为长圆柱体穿透长方体（0.2*0.2*0.1mm）水泥基体。玻璃纤维的弹性模量为70Gpa，水泥基体的弹性模量为20Gpa，两者的泊松比均为0.2。82.2.3ANSYS模型图1体积单元建模和网格划分网格采用自适应式网格划分方法，确保复合材料各相接触部分的网格划分足够细分以确保计算精度。网格

7、单元采用低阶3D单元SOLID285。该单元适用于本案例中不规则的几何尺度。Z向负面约束Z向的位移，Z向正面施加0.0001mm的位移（应变0.5%）。通过提取垂直Z轴负面上所有节点Z向的节点力可以得到拉伸作用下此面的反作用力，由此求得体积单元的平均弹性模量即复合材料的有效弹性模量。3纤维同向分布和理论公式拟合本节从纤维同向规则分布开始研究，将模拟结果与理论值对比，发现较好的准确度。理论公式表明，当纤维同向分布，两相基体如果有同样的形变，则纤维的位置对复合材料的有效弹性模量没有影响。这个结论也在有

8、限元分析结果中得到了证实，故下面的研究中，纤维同向分布时纤维规则分布以方便模型计算。本文建立了八个不同体积分数的纤维同向分布的体积模型，将其计算所得的纵向纤维弹性模量和理论公式计算值对比，发现较好的准确度，误差在1%。此结果证明数值模型的准确性。4纤维不规则分布8纤维不规则分布下，典型体积单元的有效弹性模量值波动。这种波动来自于纤维体积分数的变化和纤维分布位置的改变两个方面。表1显示出纤维随机分布的体积单元呈现出和纤维同向分布的体积单元同样的规律，即复合材料的有效弹性模量随纤维体积