基于ANSYS的鋼網增強PE-HD力學性能的模擬分析與實驗驗證

孫佳楠,陳冰冰,金楊福,高增梁,錢 欣＊

(1.浙江工業大學化學工程與材料學院,浙江杭州310014;2.浙江工業大學機械工程學院,浙江杭州310014)

基于ANSYS的鋼網增強PE-HD力學性能的模擬分析與實驗驗證

孫佳楠1,陳冰冰2,金楊福1,高增梁2,錢 欣1＊

(1.浙江工業大學化學工程與材料學院,浙江杭州310014;2.浙江工業大學機械工程學院,浙江杭州310014)

運用ANSYS有限元分析軟件,構建鋼網離散模型,對不同鋼網結構增強的高密度聚乙烯(PE-HD)復合材料進行力學性能分析,通過對復合材料拉伸和彎曲模擬發現,鋼網增強PE-HD復合材料的彈性模量隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數目增加而增加,達到純PE-HD的4～9倍;彎曲模量也隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數目增加而增加,達到PE-HD的1～3倍。經驗證,模擬數據與試驗結果非常吻合。

鋼網;增強;高密度聚乙烯;ANSYS軟件;數值模擬;力學性能

0 前言

鋼網增強PE-HD是一種性能優良的新型鋼塑復合材料,以高強度鋼網為增強體,PE-HD為基體,這種復合結構不但集鋼網高強度和塑料的耐腐蝕優點于一身,而且還克服了傳統鋼骨架增強塑料容易脫層等缺陷[1]。

基于這種復合材料的優點和應用價值,對其力學性能的研究就變得尤其重要。采用ANSYS有限元軟件對其進行結構和力學性能分析,可以直觀地得到其變形情況、應力分布和相關的力學性能參數。目前采用ANSYS軟件對鋼網增強 PE-HD復合管進行強度計算分析和外壓失穩分析已有較多研究[2-4],但對于鋼網增強PE-HD力學性能的模擬分析和實驗驗證少有報道。本文利用真實鋼網離散模型對鋼塑復合材料進行拉伸和彎曲模擬分析,并通過實驗驗證模擬結果的可靠性,以便為鋼塑復合材料產品設計提供方法和依據。

1 材料結構和分析模型

1.1 復合材料試樣

鋼網增強 PE-HD復合材料試樣尺寸為:厚度10 mm,寬度30 mm,長度120 mm;中間鋼網分別采用直徑為1.5、2.0、2.5、3.0 mm鋼絲正交編織,在寬度上分別分布3～5根鋼絲,如圖1所示。

圖1 鋼網結構及注射成型試樣Fig.1 Steel skeleton and injection molded parts

復合材料試樣成型:先將點焊鋼網置于注射模具型腔內,采用注射成型工藝成型。PE-HD與鋼絲性能參數如表1所示。

表1 材料性能參數 Tab.1 Properties of thematerials

1.2 拉伸模擬模型及邊界條件

首先構建中間鋼絲網有限元模型,在此基礎上利用ANSYS的實體造型功能拉伸生長出塑料基體模型。這樣使得鋼絲網與塑料基體結合一體,建立與實際測試試樣尺寸相同的有限元分析模型,如圖2所示。邊界條件為:將 X=0端面固定,在另一個端面施加25 M Pa的拉伸應力載荷。

圖2 拉伸有限元模型及邊界條件Fig.2 Finite elementmodel and boundary conditions fo r stretching

1.3 彎曲模擬模型及邊界條件

與拉伸模型類似構建有限元模型,如圖3所示。邊界條件為:采用三點彎曲方式,試樣兩端面簡支固定,試樣中間面施加均布壓力載荷。

圖3 彎曲有限元模型及邊界條件Fig.3 Finite elementmodel and boundary condition for bending

2 有限元分析

2.1 拉伸變形分析

采用小變形分析,得到材料沿 X方向上的形變云圖,如圖4所示。

圖4 鋼絲增強PE-HD試樣的拉伸形變模擬Fig.4 The simulation fo r tensile deformation of steel skeleton reinforced PE-HD

從圖4可以看出,鋼網增強復合材料的拉伸變形與純塑料有著顯著的不同,純塑料的受拉變形在拉伸方向呈現出整體均勻變化,而鋼網增強復合材料由于中間增強鋼網的存在,使得整體材料的抗變形能力得到顯著提高,大部分受拉位移較小,僅在受拉端面的最外圍有較大的拉伸變形。

從圖4還可以看出,在相同鋼絲排布但直徑不同情況下,隨著鋼絲直徑的增加,復合材料變形量也相應地減少,但其斷面凹陷程度增大。這說明,鋼絲直徑的增加對整個基體所起到的變形牽制作用也越來越明顯,限制基體變形的作用也越來越好。

2.2 彎曲變形分析

通過彎曲模擬分析,得到不同直徑鋼絲增強PE-HD材料沿 Z方向上位移變化的云圖,如圖5所示。從圖5可以發現,在鋼網排布根數相同時,施加相同下壓載荷的復合材料,隨著鋼絲直徑的增加,彎曲撓度相應下降,復合材料的整體抗彎能力提高。

2.3 彈性模量的模擬與實驗結果對比

圖6為不同鋼絲直徑和試樣寬度上不同鋼絲排布條件下復合材料彈性模量的變化情況。從圖6可以看出,彈性模量隨著鋼絲直徑的增加而增加,但是增加的幅度逐漸減小;試樣寬度上鋼絲排布數目增加,彈性模量也隨之增加。相對純PE-HD而言,鋼網增強PE-HD復合材料的彈性模量提高了4～9倍,鋼網增強作用明顯。

圖5 鋼絲增強PE-HD試樣的彎曲變形模擬Fig.5 The simulation fo r bending deformation of steel skeleton reinfo rced PE-HD

圖6中模擬值與試驗值對比發現,有限元計算結果與試驗測試結果基本一致,說明采用有限元數值分析計算鋼網增強復合材料的彈性模量是可行的,其結果也是十分準確。

圖6 彈性模量模擬值與試驗值的對比Fig.6 The comparison of the value of simulation and experiment for elastic modulus

2.4 彎曲模量的模擬與實驗結果對比

圖7為不同鋼絲直徑和試樣寬度上不同鋼絲排布條件下復合材料彎曲模量的變化情況。從圖7可以看出,彎曲模量隨著鋼絲直徑的增加而增加,增加的幅度逐漸增大;試樣寬度上鋼絲排布數目增加,彎曲模量也隨之增加。與純 PE-HD相比,鋼網增強 PE-HD復合材料的彎曲模量提高了1～3倍,相對于彈性模量而言,鋼網對材料彎曲模量的增強作用相對較小。

圖7中模擬值與試驗值對比發現,有限元計算結果與試驗測試結果基本一致,說明采用有限元數值分析計算鋼網增強復合材料的彎曲模量是可行的,其結果也是十分準確。

圖7 彎曲模量的模擬值與試驗值的對比Fig.7 The comparison of the value of simulation and experiment fo r bending modulus

3 結論

(1)模擬結果表明,彈性模量隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數目增加而增加,相對純PE-HD,鋼網增強PE-HD復合材料的彈性模量提高了4～9倍;彎曲模量也隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數目增加而增加,相對純 PE-HD,其彎曲模量提高1～3倍;

(2)通過試驗驗證,模擬結果與試驗值非常吻合,說明采用有限元分析計算鋼網增強復合材料的力學性能是可行的。

[1] 王俊良,趙勤寬.鋼骨架塑料復合管的研制與應用[J].工程塑料應用,2000,28(12):18-19.

[2] 任志敏,任冬云.新型鋼絲網骨架增強塑料復合管的有限元分析[J].中國塑料,2002,16(11):40-42.

[3] 鄭津洋,盧玉斌.鋼絲纏繞增強塑料復合管力學性能的試驗研究[J].中國塑料,2006,20(6):82-88.

[4] 朱彥聰,鄭津洋.鋼絲纏繞增強塑料復合管外壓失穩數值模擬與試驗研究[C].烏魯木齊:第三屆全國管道技術學術會議,2006:94-97.

AN SYS Soft ware Simulation of Mechanical Properties of Steel Skeleton Reinforced PE-HD and Its Experimental Verification

SUN Jianan1,CHEN Bingbing2,JIN Yangfu1,GAO Zengliang2,QIAN Xin1＊
(1.College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Based on ANSYS finite element analysis software,steel mesh discrete models were formulated for simulating the mechanical properties of steel skeleton reinforced PE-HD composites.Both Young′s and bending moduli of the composites increased with increasing diameter of the steel skeleton and mesh density.The calculated moduli agreed well with the experimental data.

steel skeleton;reinforcement;high density polyethylene;ANSYS software;numerical simulation;mechanical property

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)01-0056-03

2009-09-11

浙江省重大科技專項資助(2008C01047-3)

＊聯系人,qianx@zjut.edu.cn