基于ANSYS鋪層方向?qū)秃喜牧系牧W影響分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

復合材料是一種多相材料,由多種性質(zhì)極不相同的材料組成。先進的復合材料在本世紀60年代初才發(fā)明,最具代表性的為聚合物為基的高性能的碳纖維和硼纖維復合材料。

纖維和基體的力學性能有很大的差異,他們組合起來構(gòu)成的纖維增強復合材料在彈性常數(shù)、線膨脹系數(shù)及強度特性方面必然會表現(xiàn)出明顯的各向異性。通過對纖維取向的設計制成的復合材料結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)程度不同的各向異性,復合材料性能的可設計性,是復合材料所特有的主要優(yōu)點。纖維復合材料是由兩種或兩種以上不同強度和模量的材料所構(gòu)成,在纖維和基體材料選定后,尚有許多材料參數(shù)和幾何參數(shù)可變動,而且形成層合結(jié)構(gòu)時每一層的鋪設方向又可隨意安排,這樣就可以人為的改變組分材料的種類、含量,以及鋪層方向和順序。在一定范圍內(nèi)滿足設計中對材料強度、剛度和方向性的要求,可是結(jié)構(gòu)的性能、重量和經(jīng)濟指

標等都做到合理的優(yōu)化組合。為設計人員提供了一種在一定范圍內(nèi)可隨意設計的材料,達到結(jié)構(gòu)設計與材料設計高度統(tǒng)一的優(yōu)化設計的目的。

沖擊現(xiàn)象的共同特點是載荷強度高,作用時間短,尤其作用時間短是區(qū)別于其他一般力學現(xiàn)象的重要特征。在沖擊現(xiàn)象中,作用時間一般為毫秒、微秒,甚至毫微秒數(shù)量級,在這么短時間內(nèi)完成施加高強度載荷,以及在被作用物體內(nèi)造成極高的壓力或應力,引起被作用物體內(nèi)介質(zhì)運動和材料破壞,這是一系列隨時間變化的動態(tài)過程。與沖擊效應有關的主要復合材料層合板的材料參數(shù),是層合板的密度和硬度等。密度越大、硬度越高,由地面沖擊反射所造成的層合板破壞程度越嚴重,對于小質(zhì)量、高速撞擊的彈體來說,高強度合金鋼、鎢合金和鈾合金才是制作彈體的理想材料。本文研究了不同鋪層方式對其力學性能的影響規(guī)律。

2模型的建立與計算

如圖1所示,給出了層合板的有限元模型,在ansys有多個單元可以模擬復合材料,本文選取SHELL99單元來模擬層合板這個力學模型。本文的層和板共分為四層,每層的厚度為0.002m,長度和寬度都為0.25m。

圖1層合板的有限元模型

圖2層合板的有限元模型的載荷

本文的模型的計算邊界條件:四邊固定;在面上受到均勻的壓力其大小為1e5pa。表1給出了復合材料的性能參數(shù)。

基于ANSYS鋪層方向?qū)秃喜牧系牧W影響分析ansys workbanch圖片4

圖3給出了鋪層方向為0/90/45/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.117E9Pa;第二層的最大等效應力為0.627E8Pa;第三層的最大等效應力為0.747E8Pa;第四層的最大等效應力為0.114E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層的應力最小。

圖4給出了鋪層方向為0/45/45/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.114E9Pa;第二層的最大等效應力為0.739E8Pa;第三層的最大等效應力為0.749E8Pa;第四層的最大等效應力為0.114E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層的應力最小。

基于ANSYS鋪層方向?qū)秃喜牧系牧W影響分析ansys workbanch圖片5

圖5給出了鋪層方向為0/90/90/0的各層的等效應力。由圖可知:第一層的最大等效應力為0.117E9Pa;第二層的最大等效應力為0.635E8Pa;第三層的最大等效應力為0.635E8Pa;第四層的最大等效應力為0.116E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知:層合板的第一層和最后一層的應力最大,第二層的應力最小;鋪層方向角相同的層其最大等效應力也相同。