玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料側壓性能數值模擬

曹海建， 陳紅霞， 黃曉梅

(1. 南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019； 2. 南通大學 分析測試中心， 江蘇 南通 226019)

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料是一種新型的夾芯結構，最早由荷蘭Parabeam公司于20世紀90年代末研發成功并產業化[1-3]。該結構主要以高性能纖維(玻璃纖維、碳纖維等)為原料，采用獨特的三維紡織技術制成預制件(三維夾芯織物)、再與環氧樹脂復合制成三維夾芯復合材料。該結構具有極其優良的整體性能，克服了傳統蜂窩、泡沫等夾芯結構易分層、濕熱強度低等缺陷[4-6]，在國外已被廣泛用于交通工具、建筑等領域；在我國已成功用于高鐵車體主、次承載結構件，如車身、車門、頂板、窗下墻板和受電弓導流罩等。該夾芯結構在制造成型、運輸、使用和維護過程中，主要承受壓縮、剪切、彎曲和低速沖擊等載荷，此類載荷可能對材料造成目視勉強可見或不可見損傷，易造成材料承載能力下降，降低材料的使用壽命[7-9]。如何提高該類材料的抗壓、抗剪、抗彎和抗沖擊性能，延長材料的使用壽命，是研究的重點[10-12]。借助有限元軟件ANSYS可對材料承載及破壞過程進行模擬，獲得傳統設計方法難以得到的一系列信息。

本文借助有限元軟件ANSYS，建立玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料的細觀結構模型，并借助該模型，揭示材料在側壓載荷作用下的失效機制和破壞模式，為該類材料的結構優化設計和工程化應用奠定理論基礎。

1 模型建立

當玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料受到側壓載荷作用時，上下面板是承載主體，芯材起次要作用。因此本文對材料進行側壓性能數值模擬時，重點研究上下面板的特性，為了簡化模型，作如下假設。

1)纖維與樹脂基體黏結良好，不存在氣泡、孔隙等缺陷。

2)材料在受到側壓載荷作用時，上下面板是承載的主體，易發生失穩變形，且隨著載荷的增大，變形隨之增大；芯材承載較小。

3)材料中的纖維均近似看成跑道形，且芯材纖維在承壓過程中不發生扭轉。

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料主要由上下面板和“8”字形芯材組成，其細觀結構如圖1所示。

利用有限元軟件ANSYS建模時，以圖1(e)為例，材料各部分對應數值分別為：上面板邊長a為106 mm，下面板邊長b為56 mm；上、下面板厚度h1為4 mm；芯材高度h2為10 mm。

2 加載與計算

2.1 剛強度常數

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料的組分包括：增強體S-玻璃纖維、基體環氧樹脂。2種組分的剛強度常數如表1、2所示。

2.2 網格劃分和加載

網格劃分：玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料的細觀結構采用三面體進行網格劃分，劃分網格后的細觀結構模型如圖2所示。

表1 玻璃纖維和樹脂基體的剛度常數Tab.1 Stiffness constant of glass fiber and resin

注：E11為縱向彈性模量；E22、E33為橫向彈性模量；G12、G13為縱向面內剪切模量；G23為橫向面內剪切模量；ν12、ν13為主泊松比；ν23為次泊松比。

表2 玻璃纖維和樹脂基體的強度常數Tab.2 Stress constant of glass fiber and resin MPa

注：XT為縱向拉伸強度；YT、ZT為橫向拉伸強度；XC為縱向壓縮強度；YC、ZC為橫向壓縮強度；S12、S23、S31為截面剪切強度。

邊界條件：按照側壓實驗工況對材料進行約束，即對上下面板的左側面施加位移約束，其中X方向的位移設為“0 mm”，Y、Z方向的位移均設為“Free”。

施加載荷：前期實驗表明，材料發生側壓破壞時，最大位移為3 mm，因此本文擬對材料施加3 mm的側壓位移載荷。即對上下面板的右側面施加壓縮位移載荷，其中X方向的位移設為“-3 mm”，Y、Z方向的位移均設為“Free”。

2.3 預制件和復合材料的制備

三維夾芯織物的經、緯紗均采用136 tex的無堿玻璃纖維，重慶國際復合材料股份有限公司；三維夾芯織物的經密為15根/cm(其中地經為10根/cm，絨經為5根/cm)、緯密為8根/cm、面密度為850 g/m2。環氧樹脂E51、聚醚胺H023，南通星辰合成材料有限公司。

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料預制件(三維夾芯織物)，主要由無堿玻璃纖維為原料，采用獨特的三維紡織技術制成，其三明治結構通過Z向纖維整體連接織物的上、下2個層面。

采用手糊成型工藝，按照m(預制件)∶m(樹脂體系)=1∶1.1,m(環氧樹脂)∶m(聚醚胺)=4∶1組合體系，按照上述工藝制得夾芯材料，面板厚度為4 mm、芯材高度為10 mm、材料面密度為1 720 g/m2。

3 結果與分析

3.1 材料的應力和應變

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料的側壓應力、應變云圖分別如圖3所示；面板的應力放大云圖如圖4所示。

圖3 玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料的側壓應力與應變云圖Fig.3 Cloud pictures of side compressive stress distribution (a) and strain distribution (b) on glass fiber/epoxy resin sandwich composites

圖4 面板的應力放大云圖Fig.4 Magnified cloud pictures of stress on face-sheet

由圖3可知，在受到側壓載荷作用時，玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料上下面板應力、應變值最大，分別為937.35 MPa、0.032 091，芯材應力、應變值最小，分別為0.008 106 3 MPa、5.231 5×10-6。說明材料在受到側壓載荷作用時，上下面板是承壓的主體，芯材承壓較小[10-12]，這與實際測試結果一致。因此在實際生產和應用時，應特別加強上下面板的結構強度和剛度的設計。

由圖4可知，玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料在承受側壓載荷時，最大值出現在2排芯柱之間的上下面板處，如圖中紅色標注“Max”處。進一步分析可知，上下面板的經紗與緯紗交界處平均應力最大，如紅色標注①、②和③處；同時，②和③在同一直線上；類似地，可預測①將在另一直線上，且這些直線是平行的。上述結論與實驗結果一致。

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料在承受側壓載荷時，上下面板是承載的主體，芯材承載較小，如圖5所示。同時，失穩破壞主要發生在上下面板的2排芯柱之間，且呈平行直線狀。這些現象與有限元模擬結果一致。

3.2 組分的應力和應變

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料經紗、接結經紗、緯紗和樹脂等各組分的應力和應變云圖如圖6所示。

圖6 玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料各組分的應力、應變云圖Fig.6 Components stress and strain cloud pictures of glass fiber/epoxy resin sandwich composites. (a) Stress cloud pictures of warp yarn; (b) Strain cloud pictures of warp yarn; (c) Stress cloud pictures of binder warp yarn; (d) Strain cloud pictures of binder warp yarn;(e) Stress cloud pictures of resin; (f) Strain cloud pictures of resin; (g) Stress cloud pictures of weft yarn; (h) Strain cloud pictures of weft yarn

圖5 壓縮破壞后的玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料Fig.5 Glass fiber/epoxy resin sandwich composites after compression failure. (a) Integral failure appearance (b) Partial failure appearance on face-sheet

由圖6可知，玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料受到側壓載荷作用時，纖維起主要承載作用，而樹脂起次要作用，經紗最大應力值為937.35 MPa，接結經紗最大應力值為734.52 MPa，緯紗最大應力值為635.28 MPa，而樹脂最大應力值為112.74 MPa。由此可知，纖維是復合材料力學性能主要決定因素。

玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料在側壓位移載荷達到3 mm時，材料的破壞模式主要是樹脂破裂、纖維與樹脂脫黏等。由圖6可知，經紗、接結經紗、緯紗這3種組分中最大應力值出現在經紗上，為937.35 MPa，小于表2中S-玻璃纖維壓縮破壞強度值1 000 MPa，說明S-玻璃纖維并未發生破壞；由圖6(h)可知，樹脂最大應力為112.74 MPa，大于表2中樹脂壓縮破壞強度值100 MPa，說明部分樹脂已經發生碎裂破壞。由圖6(b)、(d)和圖6(f)可知，經紗、接結經紗、緯紗這3種組分中最大應變值出現在經紗上，為0.014 866；由圖6(h)可知，樹脂最大應變值為0.032 091，樹脂的應變值遠大于纖維，說明樹脂與纖維已發生較大的脫黏現象。

4 結 論

借助有限元軟件ANSYS，建立了玻璃纖維/環氧樹脂基夾芯材料的細觀結構模型。利用該模型，研究了材料在3 mm側壓載荷作用下的失效機制及破壞模式，并得到如下結論。

1)材料在受到側壓載荷作用時，上下面板是承載的主體，芯材承載較小。

2)上下面板的兩排芯柱之間最容易發生失穩破壞，且破壞形貌呈平行直線，這是導致材料失效的最主要原因。

3)材料在受到側壓載荷作用時，增強體纖維起主要承載作用，基體樹脂起次要作用。

4)材料的破壞模式主要為樹脂破裂、纖維與樹脂脫黏。

本文研究結果將為該材料的結構優化設計與工程化應用提供指導。

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