多尺度纖維增強復合材料

摘 要：由于纖維增強復合材料具有輕質高強的特點，因此逐漸應用于工程實踐中。但纖維方向對材料的整體力學性能有很大影響，急需深入研究。文章采用數值仿真計算和文獻綜述的方法，對不同方向的纖維復合材料進行了模擬。在Digimat中構建不同纖維方向或在Moldflow上設置特定纖維方向，并在ANSYS中建立結構模型。之后，將Digimat與ANSYS連接，纖維方向被賦予宏觀結構上，通過ANSYS中進行計算，分析仿真結果。文章以懸臂梁受均布荷載為例，對整體結構進行分析，以Von-Mises應力分布狀態進行討論。計算結果顯示玻璃纖維材料能夠提高整體結構性能，并在一定方向時，懸臂梁呈現出較好的力學性能。

關鍵詞：Digimat；ANSYS；纖維增強復合材；纖維方向

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0026-02

Abstract： Because fiber reinforced composites have the characteristics of light weight and high strength， they are gradually applied in engineering practice. However， the direction of the fiber has a great impact on the overall mechanical properties of the material， which needs to be studied in depth. In this paper， numerical simulation and literature review are used to simulate the fiber composites in different directions. Different fiber directions were constructed in Digimat or specific fiber directions were set on Moldflow， and structural models were established in ANSYS. After that， the Digimat is connected with the ANSYS， and the fiber direction is assigned to the macroscopic structure. The simulation results are analyzed through the calculation in ANSYS. With beam as an example， the whole structure is analyzed， and the stress distribution of Von-Mises is discussed. The results show that the glass fiber material can improve the overall structural properties， and in a certain direction， the cantilever beam presents better mechanical properties.

Keywords： Digimat； ANSYS； fiber reinforced composite； fiber direction

由于纖維增強復合材料具有輕質、高強、耐疲勞等特性，近年來，其力學行為問題成為國內外學者重要研究方向。2015年，Mortazavian和Fatemi[1]綜述了近年來短纖維增強聚合物復合材料（SFRPC）的疲勞及破壞行為相關研究，討論了與微觀結構相關的循環加載、應力集中等一系列問題的實驗及建模問題。2013年，Yalin Yu和Jinrui Ye等人[4]研究了超聲波與帶孔洞增強復合材料的關系，使用DIGIMAT-FE建立了含孔洞的中尺度復合材料模型，通過ABAQUS/Explicit將超聲激勵加載到模型中，最終通過實驗驗證該模擬方法的正確性。本文中，以玻璃纖維與一種彈塑性材料基底為例，通過Digimat-MF建立纖維增強復合材料微觀模型RVE，并經與ANASYS耦合完成結構宏觀建模與受力分析。

1 多尺度纖維增強復合材料的結構

1.1 微觀結構

微觀結構的力學性能對纖維增強復合材料整體性能產生極大影響。纖維增強復合材料的研究基礎：代表性體積單元（Representative Volume Element簡稱RVE）成為其結構研究中的重要部分。RVE可準確表現材料內部結構材料取向、纖維組成等方面，并采用均質化方法將復合材料進行均質化處理并計算。本文中，RVE由玻璃纖維相和彈塑性材料基底兩種材料共同組成。該材料在承受荷載作用時，兩種不同相表現出不同的受力和變形狀態。

Digimat是一款多尺度仿真建模軟件，用于研究各向異性復合材料，并可通過逆向工程與實驗數據進行擬合接近[5]。Digimat-MF模塊基于Mori-Tanaka理論對代表性體積單元進行均質化，并可自行生成RVE[7]。第一步，RVE被分解成有限個單向偽晶粒，并基于Mori-Tanaka理論均化各個偽顆粒。在第二步中，通過Voigt模型，將偽晶粒的RVE均化為完全均質材料。

1.2 宏觀結構

本文選擇玻璃纖維和彈塑性材料為基底的纖維增強復合材料進行研究。為了對材料進行全面研究，選取了玻璃纖維體積比為15%的成分組成。纖維取向從0°到90°變化，具體分布見表2。為了對不同纖維方向結構進行討論，仍以玻璃纖維和彈塑性材料為復合材料組成基礎，本文討論了四個不同纖維方向的懸臂梁結構，并對其結果進行了討論。

由表3仿真計算結果可知，當纖維方向為30°時，有最大應力值及最小應力值，證明該懸臂梁上應力分布不均勻。當纖維方向為0°時，此時應力處于較為均勻狀態但應力值較大。纖維方向為45°和90°時，應力值較小且較為均勻，更適合于工程實踐。在布置纖維方向時，可有多種結構，以上4種方式僅為實例，具體如何選擇仍需后續研究。

除在內部設置纖維方向外，Digimat-MF提供了映射功能，可將Moldflow注塑形成的纖維方向映射到結構中。本文以ANSYS為計算工具，對懸臂梁受均布荷載情況進行了研究，得到結果如圖1（a）所示。為更加精確研究玻璃纖維復合材料，本文將Moldflow預注塑形成的纖維方向映射到結構網格上，從而對特殊纖維方向結構進行研究，計算結果如圖1（b）所示。

通過以上計算結果可知，未映射纖維時結構應力分布與映射纖維后的應力分布差距較大，且整體力學性能有所改善。對于特殊材料，纖維方向難以設置，可先經由Moldflow等軟件完成，再進行后續力學分析。

2 結束語

本模型采用玻璃纖維與彈塑性基底的纖維增強復合材料，研究了不同纖維方向的微觀RVE對結構整體力學性能的影響。通過懸臂梁算例分析可看出，加入纖維材料時，結構整體受力性能得到提升。當纖維方向在某一范圍時，結構的抗拉和抗壓性能達到均勻且較高水平。因此，本算例對含有纖維增強復合材料的工程結力學性能進行了檢驗，對今后工程實踐有所幫助。

參考文獻：

[1]Mortazavian S， Fatemi A. Fatigue behavior and modeling of short fiber reinforced polymer composites including anisotropy and temperature effects[J]. International Journal of Fatigue， 2015，77：12-27.

[2]Yu Y， Ye J， Wang Y， et al. A mesoscale ultrasonic attenuation finite element model of composites with random-distributed voids[J]. Composites Science & Technology， 2013，89（89）：44-51.

[3]何立，毛笑笑，周開發.復合材料建模平臺Digimat應用研究進展綜述[J].建材與裝飾，2017（4）.

[4]Lindhult J， Ljungberg M. Fatigue analysis of anisotropic short fibre reinforced polymers-by use of Digimat and nCode DesignLife[J].2015.