一種新型可變剛度材料的有限元建模

王厲哲

(上海飛機設計研究院,上海 200120)

一種新型可變剛度材料的有限元建模

王厲哲

(上海飛機設計研究院,上海 200120)

本文介紹了一種新型可變剛度的材料結構,它是一種由彈性袋包裹顆粒的材料結構,通過施加限制壓力的方式,使材料內部的顆粒相互之間產生自鎖,從而加強結構的剛度。在結構受到損傷變形失效后,可以通過釋放并重新施加限制壓力的方式,使結構可以內部重塑,達到自修復的目的。基于此種彈性袋包裹顆粒的材料結構,本文主要進行了ABAQUS有限元建模分析,模擬分析了其抗彎剛度,結果表明模型較好的反映了真實情況,對未來研究能起到推進作用。

復合材料 自適應 可變剛度 顆粒材料 有限元

1 背景

復合材料是有兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理或化學的方法結合,從而在宏觀上組成具有新性能的材料。隨著現代高新科技的發展,復合材料由于其優越的性質而被廣泛的研究和應用。近年來尤其是在航空領域,復合材料的使用率已經成為民機是否先進的判斷標準。而與此同時人們對復合材料的性能提出了更高的要求,例如剛度與強度的可變性與可修復性。

自適應材料,是一種在有外界因素激勵的條件下,可以改變自身性能例如強度和剛度的材料,它是材料的一種分支。有一種典型的智能復合材料叫做復合泡沫塑料,它是一種以空心微球作為增強體的復合材料,由于它具有較高的抗壓強度以及損傷容限,近些年它被大量引入于夾層結構進行研究。通常夾層結構的失效是由于外界沖擊而損壞夾層中心層結構而導致的,這種情況下為了修復夾層的中心層,傳統的方式需要在夾層表面開孔,但這會在表面帶來不必要的損傷而降低修復后的性能。因此,自修復功能對于夾層結構就顯得特別重要。

本文介紹了一種新型可變剛度的材料,它是一種由彈性袋包裹顆粒的材料結構,通過施加限制壓力的方式,使材料內部的離散顆粒相互之間產生自鎖達到穩定狀態,從而加強結構的剛度。在結構受到損傷變形失效后,可以通過重新施加限制壓力的方式,使結構可以內部重塑,達到自修復的目的。

2 研究現狀

D.M.Phillips等人[1,2]曾做過多組試驗。他們將不同大小的空心玻璃球作為填充物分別放入夾層結構的中心層,對中心層反復施加、釋放、再施加限制壓力(即抽真空),并在每一次施加限制壓力后,通過三點彎曲試驗測試試驗件的抗彎剛度。結果表明試驗件的抗彎剛度在多次測量中均保持一致,具有良好的可逆性,說明了此種彈性袋包裹顆粒材料結構具有良好的自修復性。

3 ABAQUS有限元建模

為了預測彈性袋包裹顆粒材料結構在受到限制壓力時的抗彎強度,本文首次針對彈性袋包裹顆粒材料結構建模,進行有限元分析。模型建立過程主要包括以下幾個步驟。

3.1 創建對象

圖1 模型在模擬三點彎曲實驗的截面圖

表1 創建的實例對象具體細節

本文選取球形作為顆粒的基本形態,選取兩側封閉的圓筒形作為彈性袋的原始形態。并創建兩組圓柱形剛體作為模擬三點彎曲試驗的加載頭和支撐座。在材料定義中假設球體為鋼球,假設圓柱形的彈性帶為橡膠,分別定義他們的密度、楊氏模量以及泊松比。同時網格化的質量會直接影響到有限元分析的結果,因此需要對網格類型以及大小進行反復琢磨。具體的實例對象細節詳見表1所示。

3.2 裝配

在建立完實例后,就需要考慮將各個實例按實驗中的需求裝配起來。為了模擬球形顆粒在橡膠圓筒中的真實排列方式,以模擬三點彎曲實驗時力的傳遞,本文通過制作樣品,使用了直徑為26mm的橡膠管,直徑為6mm的鋼球,真實展現了鋼球在填充進橡膠管后的穩定排列形態,而后在模型中對球體進行同樣的排列。

3.3 定義加載以及邊界條件

在顆粒系統中,力和力矩的傳遞是通過顆粒間的接觸進行的,顆粒間的接觸剛度會直接影響到最后的分析結果。另外在模擬限制載荷時,本文中使用了在橡膠管外部施加均布載荷的方式進行模擬,并假設壓力為一個大氣壓,直接模擬試驗件內部真空的情況。最后模擬三點彎曲實驗,固定底部兩個支撐,加載頭勻速移動。建模效果如圖1所示。

3.4 結論與分析

為了分析這種彈性袋包裹顆粒材料結構的抗彎剛性,模型中輸出了加載頭位移與試驗件施加在加載頭上的反力的曲線圖,通過線性擬合計算斜率,然后根據公式E=/可算出此模型的彈性模量,約為18.3MPa。經分析,模型輸出的反力-位移曲線呈明顯出較好的線性趨勢,預測出的彈性模量基本反映了此試驗件的真實狀態,且考慮到建模過程中對物體與相互作用力所采用的各種簡化與假設,可以得出結論本文中基于此種彈性袋包裹顆粒材料結構的建模是成功的。且通過受力圖可以看出在整個模擬過程中,力在顆粒之間的傳播路徑,力鏈的分布,這對未來對此種結構的內部優化有很大的作用。

[1]D.M. Phillips, G.S. Jacobson, and J. Baur, “Granular Reinforced Materials for Morphing Structures,”2007 SAMPE Fall Technical Conference and Exhibition, Cincinnati, OH, Oct.29-Nov.1, 2007.

[2]Phillips, D. M.(2010) A Granular Core for Self-healing, Variable Modulus Sandwich Composites. Journal of Composite Materials.44(22),2527.