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【复材三问】这么多参数到底啥意思

1月前浏览7335

本文摘要(由AI生成):

文章主要讨论了复合材料仿真中需要的参数,以及如何辨别和计算这些参数。首先,文章指出了金属铍的泊松比错误,并强调了复合材料参数的重要性。接着,文章介绍了复合材料参数的种类,以及结构仿真中需要的参数。此外,文章还强调了仿真工程师需要辨别参数的重要性,并给出了一个例子说明如何通过样件宏观刚度和强度计算出单层材料参数。最后,文章总结了单层材料参数的规律,并介绍了均质化理论在计算单层材料参数中的应用。

一、仿真需要的参数

网上流传着一份下载量很高的材料性能参数表格,里面金属铍的泊松比是0.7。各向同性材料泊松比不能大于0.5(泊松比0.5代表材料不可压缩),0.7肯定是一个错误的数据。

不加辨别地直接拿来使用很可能就会犯一个低级错误。金属材料如此,复合材料亦如此。要辨别复合材料参数首先要了解复合材料有哪些参数,以及在复合材料结构仿真中要使用哪些参数,有什么物理意义?以铺层复合材料为例,我们来看一下从材料到结构的成型过程。

理论上来说,铺层复合材料涉及到的参数包括基体材料参数、增强材料参数和单层材料参数。而这个单层材料参数是通过层合板样件的宏观刚度和强度计算得出。所以我们接触到的参数还应包括层合板样件的宏观刚度和强度。在众多种类的复合材料参数中,结构仿真需要的是单层材料的参数。

仿真工程师除了要明确仿真中使用的是哪类参数,还要对拿到的参数做基本辨别。在没有要求的情况下,测试工程师会直接将层合板宏观刚度和强度参数交给仿真工程师。如果仿真工程师不去辨别,就直接把层合板样件的宏观刚度和强度当成单层材料参数来使用,结果不难预见。

想要进一步了解怎样通过样件宏观刚度和强度计算出单层材料参数,可参考沈观林老师编著的《复合材料力学》第四章的内容。

二、参数有哪些规律

一般情况下单层材料包括单向带和织物两种类型。我们以最常用的单向带材料为例,解释主要参数的物理意义并预测其大致取值。

首先我们仔细对照下表中各组分材料的力学性能参数,从数字角度我们不难找出参数的规律。

基体材料

(各向同性)

参数

增强材料

(横观各向同性)

参数

单层材料

(正交各向异性)

参数

弹性模量

4667.7

轴向弹性模量

217800.0

1方向弹性模量

131620.0

泊松比

0.35

面内剪切模量

15236.0

2方向弹性模量

9239.0

横向剪切模量

15818.0

主泊松比

0.30

面内泊松比

0.22

面内剪切模量G12

4826.3

横向泊松比

0.27

层间剪切模量G23

4213.6

层间剪切模量G31

4826.3

拉伸强度

56.1

拉伸强度

3413.1

1方向拉伸强度

2063.0

压缩强度

231.7

压缩强度

2366.2

1方向压缩强度

1484.4

2方向拉伸强度

63.9

2方向压缩强度

267.9

面内剪切强度S12

291.4

层间剪切强度S23

267.0

层间剪切强度S31

291.4

说明:表中弹性模量和强度的单位都为MPa。

 从参数表中可以看出如下规律:

1)增强材料弹性模量和拉伸强度远大于基体材料;

2)单层材料弹性模量和拉伸强度明显低于增强材料;

3)单层材料1方向弹性模量和拉伸强度远大于2方向;

4)G12与G31相等,S12与S31相等。

所谓的1方向就是纤维方向,1)3)两条不需要过多解释。我们接下来分别通过图文和公式来解释2)4)两条。

① 混合后材料性能为什么下降了

我们都知道复合材料以比强度和比刚度高而著称,而纤维和基体混合后刚度和强度反而下降了,我们理应去质疑一下。

下图是单向带单层材料示意图,纤维在基体中有序排列,纤维体积占比为60%。

单层材料示意图

 我们不考虑纤维和基体本身性能的分散,不考虑排列的分散,那么从铺层材料中截出的每个条形块的性能都相同。因为纤维和基体纵向长度相等,所以截面比等于体积比,如下图所示。

单层材料截面示意图

 拉伸过程中纤维与基体整体变形同步,纤维和基体的应变相等,所以如下公式关系成立。

单层材料的弹性模量与拉伸强度代表着混合后材料的等效性能,虽然数值上有所下降,但承力能力并没有变弱。

② 剪切模量的关系

从单层材料中截取下图所示单元体,并画出应力状态,具体如下图所示。

单元体应力状态

三、总结

掌握单层材料参数的内在规律,能够帮助我们快速判断出所拿到的参数是否是仿真需要的单层参数,是否准确,从而杜绝参数输入错误的问题出现。

文中所述方法是均匀化理论的具体解释。我们可以借助均质化理论由纤维参数和基体参数计算出单层材料参数。目前市场上有比较成熟的软件,可以起到代替或部分代替实验的作用。MSC公司的Digimat软件包含但不仅限于上述功能,如果您对此感兴趣请联系我们。

MSC 其他复合材料
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首次发布时间:2019-03-01
最近编辑:1月前
五星连珠
硕士 | 客户经理 MSC
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