復(fù)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(jìn)的復(fù)合材料在本世紀(jì)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(fù)合材料。

復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性，是復(fù)合材料所特有的主要優(yōu)點(diǎn)。纖維復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同強(qiáng)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(dòng)，而且形成層合結(jié)構(gòu)時(shí)每一層的鋪設(shè)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，本文研究了不同鋪層方式對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1. 模型的建立與計(jì)算

如圖1所示，給出了層合板的有限元模型，在ansys有多個(gè)單元可以模擬復(fù)合材料，本文選取SHELL99單元來(lái)模擬層合板這個(gè)力學(xué)模型。本文的層和板共分為四層，每層的厚度為0.002m，長(zhǎng)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(jì)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(fù)合材料的性能參數(shù)。

圖3 鋪層方向0/90/45/0的各層的等效應(yīng)力

圖3給出了鋪層方向?yàn)?/90/45/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知：第一層的最大等效應(yīng)力為0.117E9Pa；第二層的最大等效應(yīng)力為0.627E8Pa；第三層的最大等效應(yīng)力為0.747E8Pa；第四層的最大等效應(yīng)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(yīng)力最大，第二層的應(yīng)力最小。

圖4給出了鋪層方向?yàn)?/45/45/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知：第一層的最大等效應(yīng)力為0.114E9Pa；第二層的最大等效應(yīng)力為0.739E8Pa；第三層的最大等效應(yīng)力為0.749E8Pa；第四層的最大等效應(yīng)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(yīng)力最大，第二層的應(yīng)力最小。

圖4 鋪層方向0/45/45/0的各層的等效應(yīng)力

圖5給出了鋪層方向?yàn)?/90/90/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知：第一層的最大等效應(yīng)力為0.117E9Pa；第二層的最大等效應(yīng)力為0.635E8Pa；第三層的最大等效應(yīng)力為0.635E8Pa；第四層的最大等效應(yīng)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(yīng)力最大，第二層的應(yīng)力最??；鋪層方向角相同的層其最大等效應(yīng)力也相同。

圖5 鋪層方向0/90/90/0的各層的等效應(yīng)力

圖6 鋪層方向45/-45/45/-45的各層的等效應(yīng)力

圖6給出了鋪層方向?yàn)?5/-45/45/-45的各層的等效應(yīng)力。由圖可知：第一層的最大等效應(yīng)力為0.125E9Pa；第二層的最大等效應(yīng)力為0.639E8Pa；第三層的最大等效應(yīng)力為0.638E8Pa；第四層的最大等效應(yīng)力為0.125E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知：層合板的第一層和最后一層的應(yīng)力最大，第二層和第三層的等效應(yīng)力最小。

圖7 鋪層方向90/45/-45/0的各層的等效應(yīng)力

圖7給出了鋪層方向?yàn)?0/45/-45/0的各層的等效應(yīng)力。由圖可知：第一層的最大等效應(yīng)力為0.113E9Pa；第二層的最大等效應(yīng)力為0.789E8Pa；第三層的最大等效應(yīng)力為0.788E8Pa；第四層的最大等效應(yīng)力為0.113E9Pa。從以上數(shù)據(jù)可知：層合板的第一層和最后一層的應(yīng)力最大，第三層的應(yīng)力最小。

2結(jié)論

通過(guò)以上分析和計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

（1） ansys可以處理復(fù)雜的復(fù)合材料力學(xué)問(wèn)題。

（2） 在同種載荷和邊界條件下，不同的鋪層方向?qū)ζ鋺?yīng)力有顯著的影響，本文中鋪層方向：45/-45/45/-45的等效應(yīng)力最大；鋪層方向?yàn)?/90/90/0的等效應(yīng)力最小。這對(duì)實(shí)際的復(fù)合材料設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

審核編輯：郭婷