宋孝浜， 王春霞， 金利民

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003； 2. 中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204； 3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

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不同芯材增強(qiáng)材料抗壓性能比較的有限元計(jì)算

宋孝浜1， 王春霞1， 金利民2，3

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003； 2. 中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204； 3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

為了分析不同芯材對(duì) “O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料抗壓能力的影響，通過有限元計(jì)算，比較樹脂、玻璃纖維、鐵質(zhì)3種芯材增強(qiáng)復(fù)合材料在相同壓力作用下的力學(xué)行為。通過對(duì)比與分析材料撓度隨時(shí)間的變化曲線、質(zhì)量大小、應(yīng)力分布及受力均衡性等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力分布的對(duì)稱性與承力均衡性對(duì)材料抵抗外力有利，即使其能夠吸收較多的能量并產(chǎn)生較小的變形。此外，綜合考慮抗壓能力、承力均衡性以及輕質(zhì)化等方面的要求，不應(yīng)選用樹脂或鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，而應(yīng)選用玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料。

芯材； 復(fù)合材料； 抗壓； 有限元

近年來，隨著高性能纖維材料與材料制備技術(shù)的飛速發(fā)展，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已經(jīng)受到科研人員的日益重視并得到廣泛應(yīng)用，儼然已成為新型材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。在此類復(fù)合材料諸多優(yōu)異的性能指標(biāo)中，輕質(zhì)高強(qiáng)是其最為顯著的優(yōu)勢(shì)。一直以來，各種類型的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因卓越的輕質(zhì)高強(qiáng)性能展示出了巨大的應(yīng)用潛力，已在國(guó)民生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域(如車輛、船舶、體育器材等[2-3])成為常規(guī)金屬材料的優(yōu)良替代品。而如何設(shè)計(jì)、制備出質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更大的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，更是材料領(lǐng)域廣大科技人員的目標(biāo)。

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的輕質(zhì)化和高強(qiáng)度受到各組成相的制約，主要影響因素包括：增強(qiáng)相與基體相原材料的選擇及搭配、增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)、各組分含量等[4-5]。理清并解決好以上問題后，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)以爭(zhēng)取在輕質(zhì)化的同時(shí)，能夠使材料達(dá)到更高的強(qiáng)度。目前已進(jìn)行了探究復(fù)合材料輕質(zhì)化與高強(qiáng)化方法的一系列工作[6-7]。增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)因素對(duì)復(fù)合材料的性能也具有一定的影響，如纖維取向角、預(yù)制體結(jié)構(gòu)、芯材高度等[8-10]?，F(xiàn)有研究成果給出了一些減輕材料質(zhì)量、提高材料強(qiáng)度的方法。然而，鑒于某些情況下，對(duì)復(fù)合材料輕質(zhì)化與高強(qiáng)化2方面的同時(shí)要求會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)上的矛盾。故應(yīng)該在綜合考慮2方面因素的基礎(chǔ)上，尋求最合適的材料搭配與結(jié)構(gòu)以制備最佳的材料。

本文運(yùn)用有限元計(jì)算方法分析不同芯材對(duì) “O”形中空復(fù)合材料抗壓能力的影響。通過對(duì)比與分析材料撓度隨時(shí)間的變化曲線、質(zhì)量大小、應(yīng)力分布及受力均衡性等指標(biāo)闡述芯材的選擇對(duì)復(fù)合材料抗壓能力以及輕質(zhì)化的影響，為輕質(zhì)高抗壓復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供有益的探索。

1 材料與模型

1.1 材 料

圖1示出“O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。由圖可見，材料由處于內(nèi)部的“O”形芯材增強(qiáng)體與包覆于外部的不飽和聚酯樹脂基體構(gòu)成，類似于皮芯結(jié)構(gòu)型材料。即可認(rèn)為以“O”形中空材料(本文中為不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維以及鐵)為“芯”，以不飽和聚酯樹脂為“皮”。其中，作為骨架材料的“O”形芯材一般是材料承載的核心部分，作為基體的樹脂則具有固結(jié)增強(qiáng)相與傳遞載荷的作用。表1列出本文研究所用的各種材料的規(guī)格。

圖1 “O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of O-shaped core reinforced composite

1.2 有限元模型

有限元模型如圖2所示。利用有限元分析軟件ABAQUS(版本：6.10)，32位版本W(wǎng)indows XP操作系統(tǒng)，根據(jù)材料結(jié)構(gòu)及壓力載荷的對(duì)稱性特點(diǎn)，建立“O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的1/2細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型。對(duì)于網(wǎng)格設(shè)置，根據(jù)模型尺寸參數(shù)(圖3)，確定網(wǎng)格格距。在短邊、邊角等處劃分較多的網(wǎng)格，保證網(wǎng)格的合理精細(xì)度。此外，采用規(guī)則的C3D8R六面體單元，此類型的單元規(guī)整度好，計(jì)算的速度與精確度也較高。圖3(a)示出模型的網(wǎng)格化效果，圖3(b)示出載荷和邊界條件，如材料上表面被施加100 MPa的壓力，下端面的自由度被完全固定。

表1 材料規(guī)格

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model.(a) Mesh scheme; (b) Loading and boundary conditions

圖3 復(fù)合材料1/2細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型圖Fig.3 1/2 micro-structural model of composite.(a) Front view; (b) Side view

2 結(jié)果與討論

2.1 撓度-時(shí)間曲線

圖4示出材料特殊點(diǎn)的撓度變化歷程。為說明不同芯材對(duì)材料抗壓性能的影響，如圖4(a)所示，將每種材料以芯材為界分為a區(qū)、b區(qū)2部分，且分別在這2部分上取特殊點(diǎn)A、點(diǎn)B。圖4(b)示出壓力作用下3種不同芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的A、B2點(diǎn)的撓度隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 材料特殊點(diǎn)的撓度變化歷程Fig.4 Deflection history of specific nodes.(a) Locations of nodes A and B; (b) Deflection-time curves

從圖4可看出，對(duì)于A點(diǎn)，按照撓度變化量的大小順序，樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的撓度在短時(shí)間(0.27 s)內(nèi)即發(fā)生大幅度的變化，達(dá)到0.56 mm；其次是玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，其撓度變化速率較樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料小得多，總變化量(0.11 mm)也??；再次是鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，其撓度變化速率最為緩和，變化量(0.06 mm)也最小。同樣地，對(duì)于B點(diǎn)，3種復(fù)合材料的撓度呈現(xiàn)出基本相似的變化速率與變化量。但與其他2種復(fù)合材料相比，鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的撓度變化最小。由此可見，3種材料中，鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的抗壓性能為最佳。這是因?yàn)樵谄溆鄺l件(材料結(jié)構(gòu)、邊界條件、受力條件等)相同的情況下，不同芯材增強(qiáng)復(fù)合材料抗壓能力的大小主要取決于芯材材質(zhì)的選擇。由于鐵質(zhì)芯材的力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維或樹脂芯材，提高了材料整體的抗壓強(qiáng)度，故撓度較小。

為說明芯材對(duì)復(fù)合材料抗壓能力的貢獻(xiàn)，將每種復(fù)合材料上A、B2點(diǎn)的撓度變化情況進(jìn)行比較。從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，其A點(diǎn)的撓度變化速率與變化量遠(yuǎn)高于B點(diǎn)，說明樹脂芯材的存在不僅不能改善材料的抗壓能力，反而會(huì)降低材料的抗壓性能，即對(duì)材料抗壓能力產(chǎn)生了“負(fù)”貢獻(xiàn)，應(yīng)該在實(shí)際應(yīng)用中加以避免。而對(duì)于玻璃纖維芯材或鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料而言，A點(diǎn)的撓度變化速率與變化量均比B點(diǎn)的小，即說明這2種芯材都可改善材料的抗壓能力。但值得提出的是：相比于玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，隨著施載時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料A、B這2點(diǎn)的撓度變化差異將會(huì)越來越大，表現(xiàn)為材料受力表面的抗力不均勻性將越發(fā)顯著，從而影響材料的抗壓效果與持久性。

2.2 質(zhì)量比較

根據(jù)表1示出的材料性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算出每種芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量，結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合材料質(zhì)量

從表2可發(fā)現(xiàn)，樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量最小，玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量較大，而鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量最大。進(jìn)一步地，前二者的質(zhì)量相差較小，約為35.8 mg，即在相同條件下，玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料比樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料約重35.8 mg。將這2種材料分別與鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料相比，可發(fā)現(xiàn)非常顯著的差異，即2種材料較之分別約輕202.22 mg與166.42 mg。因此，從高抗壓能力與輕質(zhì)化要求上考慮，不應(yīng)該選用樹脂芯材或鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，而應(yīng)選用玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料。

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

為了闡述“O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料吸能的機(jī)制，考察其在壓力載荷下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of structural stress of composites.(a) Resin core (t=0.27 s); (b) Glass-fiber core (t=0.5 s); (c) Metal core (t=0.5 s)

從圖5可看出：對(duì)于3種材料，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位都處于芯材的中間部位(圖中箭頭指示區(qū)域)。尤其是對(duì)于玻璃纖維芯材與鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，應(yīng)力集中現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)上處于較為完美的對(duì)稱狀態(tài)，保證了材料上、下2部分的受力均衡性。這種對(duì)稱性與均衡性對(duì)結(jié)構(gòu)的整體承力有利，使其能夠吸收較多的能量，從而導(dǎo)致較小的壓縮變形。

從圖5還可較為形象地考察復(fù)合材料受壓面的變形情況。對(duì)于樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，其受壓面呈現(xiàn)“邊高中低”的傾斜狀態(tài)，說明由于力學(xué)性能較弱的樹脂芯材的存在，材料邊端部分的抗壓能力明顯好于中間部分。這種承力不均衡性易導(dǎo)致施載過程中受力“失穩(wěn)”現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)材料承力尤為不利。反之，再考察另外2種材料，由于性能較好的玻璃纖維或鐵質(zhì)芯材的存在，受壓面無(wú)明顯的傾斜態(tài)勢(shì)(實(shí)際上呈現(xiàn)了輕微的“邊低中高”)，很好地維持了承力均衡性，從而產(chǎn)生較小的變形。此現(xiàn)象與2.1小節(jié)所述內(nèi)容一致。

3 結(jié) 論

1)對(duì)于壓力作用下的不同“O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，樹脂芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的變形最大；其次是玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，其撓度較前者的小得多；而鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的變形最小。

2)樹脂芯材的存在會(huì)降低材料的抗壓性能，而玻璃纖維芯材或鐵質(zhì)芯材都可改善材料的抗壓能力。此外，鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料受力面的抗力不均勻性較為顯著，影響抗壓效果與持久性。

3)從高抗壓能力與輕質(zhì)化要求上考慮，不應(yīng)選用樹脂芯材或鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，而應(yīng)選用玻璃纖維芯材增強(qiáng)復(fù)合材料。

4)對(duì)于玻璃纖維芯材與鐵質(zhì)芯材增強(qiáng)復(fù)合材料，應(yīng)力集中現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)上處于較為完美的對(duì)稱狀態(tài)，保證了材料上、下2部分的受力均衡性。這種對(duì)稱性與均衡性對(duì)結(jié)構(gòu)的整體承力有利，使其能夠吸收較多的能量，從而導(dǎo)致較小的壓縮變形。

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Finite element calculation for comparison of compression resistance of different core reinforced materials

SONG Xiaobang1， WANG Chunxia1， JIN Limin2,3

(1.CollegeofTextilesandClothes,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224003,China;2.ShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201204,China;3.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to analyze the effect of different core materials on the compression resistance of the O-shaped core reinforced composites, the mechanical responses of three kinds of core materials of resin core and glass-fiber core as well as metal core reinforced composite under the same compression action were compared by the calculation using finite element analysis (FEA). By comparing and analyzing indexes of deflection-time curves, weight, stress distribution, and equilibrium degree of stress, it was found that both of the stress distribution symmetry and loading equilibrium were beneficial to the loading-bearing performance of the materials, even which can absorb more energy and generates relatively-small deformation. Furthermore, taking the requirements of compression resistance, loading equilibrium and light-weight into consideration, the glass-fiber core reinforced composite should be selected instead of resin or metal core reinforced composites.

core; composite; compression resistance; finite element

10.13475/j.fzxb.201501008805

2013-12-25

2014-04-25

宋孝浜(1969—)，男，教授，碩士。主要研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料。金利民，通信作者，E-mail: lmjin@sinap.ac.cn。

TS 101.2

A