复合材料细观分析有限元建模方法研究

王凯歌　许飞凡　张新宇

摘要 ：本文建立了典型复合材料的一种有限元模型，后对该模型的泊松比分别进行了计算和试验测试，经过对比表明，采取该建模方法合理可行。

关键词 ：复合材料 泊松比 有限元

1. 模型的建立

取正交铺层层合板的微小单元，用有限元建立计算模型，材料选用SW220高强玻纤和430LV环氧树脂，将正交玻纤织物简化为横向和纵向交替铺设的纤维，纤维被树脂基体包覆，树脂与纤维的体积比为1：1，树脂与整体结构的质量比为32%，SW220高强玻纤的弹性模量、泊松比分别为80GPa、0.22，430LV环氧树脂的弹性模量、泊松比分别为4GPa、0.35.模型如图1所示。

将模型一端固支，另一端施加纵向均布力载荷Pressure，大小为10MPa.

2. 计算结果及分析

由于模型的中間段应力比较均匀，所以取基体模型的中间段进行结果分析，绘出厚度方向中间层基体的横向、纵向位移曲线，如图2、图3所示。

图中纵向位移曲线拟合直线的斜率值即为纵向应变，其值为为= 407e-6，横向位移曲线拟合直线的斜率值即为横向应变，其值为= 54.5e-6，则泊松比为=0.134.

3. 泊松比试验测试

试件制作均选用24层SW220玻璃纤维正交织物和430LV环氧树脂，使用真空成型工艺固化成型，试件尺寸为：260mm×40mm×5mm，试件的表面中央位置粘贴横向及纵向的应变片，如图4所示，共制作三个试件，测试结果取其平均值。

在万能试验机上对试件进行试验，如图5所示，使用应变片采集系统对试件的测试数据进行采集。试验加载速度为0.5mm/min，试件承受最大应力为90MPa。

1、2、3号试件泊松比的测试结果如图6所示；

经计算，三个试件的泊松比分别为0.123、0.129、0.119，其平均值为0.124.

4. 结论

有限元计算所得泊松比结果为0.134，而试验测得的泊松比平均值为0.124，两者误差仅为7%，说明试验较好的验证了有限元的计算结果，证明了上述有限元简化模型建模方法合理可行。