筒状树脂基碳纤维编织体的热力耦合分析

唐园亮,李旭东,莫彦波(兰州理工大学有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室,甘肃兰州　730050)

筒状树脂基碳纤维编织体的热力耦合分析

唐园亮,李旭东,莫彦波
(兰州理工大学有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050)

使用仿真手段对具有编织结构的复合材料性能进行分析,利用三维CAD软件为设计平台,设计了具有编织结构的筒状复合材料几何模型.以有限元软件ABAQUS为计算平台,实现了对筒状树脂基碳纤维编织体材料的有限元模型在热载荷、位移载荷共同作用下服役行为的计算机仿真分析,得到了模型温度场及应力场分布情况.

有限元;编织结构;计算机仿真;复合材料;热力耦合

引用格式:Tang Yuanliang,Li Xudong,Mo Yanbo．Coupled ThermoGmechanical Analysis of Tubular ResinG based Carbon Fiber Braid[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):97G100．[唐园亮,李旭东,莫彦波．筒状树脂基碳纤维编织体的热力耦合分析[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):97G100．]

编织体复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法组成具有新性能的材料.各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求.编织体复合材料作为一种新型结构材料,具有比强度高、比刚度大、耐高温等优异的热物理性能和力学性能,并且可以根据需要设计不同的纤维编织结构,制成具备特定性能的复合材料,具有强大的可设计性,因此被广泛地应用于航天航空、体育器材、医疗器械、汽车等领域[1,2].

由于复合材料的广泛应用,对其热力耦合行为研究越来越受到人们的关注[3G5].随着计算机技术的提高和有限元计算理论的进步,用有限元方法对复合材料进行分析的工作日益增多[6,7],徐亚栋等[8]以纤维增强复合材料身管为研究对象,采用有限元的方法,建立了复合材料身管热－结构耦合分析模型并进行了求解;Soheil[9]对编织型复合材料的热膨胀性能进行了研究;张旭东等[10]基于有限元方法对碳纤维增强树脂基复合材料的基本力学性能进行了预测,提出了预测复合材料性能的一种新方法;杨振宇等[11]以三维编织复合材料单元胞体模型为基础,通过有限元软件对模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数.通过研究一种筒状树脂基碳纤维编织体复合材料,利用大型商用有限元分析软件ABAQUS作为分析平台,建立了一系列研究筒状树脂基碳纤维编织体复合材料热力耦合行为的分析手段.

1　筒状编织体的结构设计

图1　轴向纤维Fig．1　Axial fiber

筒状编织结构建模的难点在于编织纤维簇的设计,首先考虑纤维的适配性,应有“整体—局部”建模思想,不同方向的纤维簇必须互相配合建模.其中环向纤维有利于提高材料结构强度,轴向纤维有利于提高材料的结构刚度[12].对于这种编织结构,应先建立单根轴向的纤维,然后通过映射、平移、几何裁剪等变换生成多根轴向纤维(见图1),并以其横截面作为参照生成环向纤维的截面,进而建立与轴向纤维适配的环向纤维(见图2).其次,使用参数化建模思想,根据实际的尺寸要求,通过计算得出结构层设计参数.最后,在已得到的编织结构模型(见图3)基础上通过布尔操作得到基体结构(见图4).

图2　环向纤维Fig．2　Circular fiber

图3　整体编织结构Fig．3　Integral braided structure

图4　基体结构Fig．4　Matrix structure

2　CAE仿真分析

2．1材料性能参数

编织体材料由树脂基体材料与增强碳纤维构成.碳纤维是同观各向异性材料,在ABAQUS/ Standard中纤维的线弹性通过设置9个工程常数来确定,弹性模量:E1、E2、E3;泊松比:μ12、μ13、μ23;剪切模量:G12、G13、G23;热膨胀性能主要由三个线膨胀系数α11、α22、α33来确定(见表1).树脂基体为各向同性材料,属性参数如表2所列.

2．2仿真分析

由于使用其他的CAD软件生成的编织纤维几何模型导入到ABAQUS的计算平台时,是以零件的形式对应ABAQUS中的部件,由于纤维材料与基体材料的材料属性不同,纤维与基体的接触众多,所以在构建仿真模型时采取先将材料属性方向相同的纤维设置为一个集合,基体设置为一个集合,分别赋予具有不同方向的材料属性,然后再合并为一个部件的方法[13].

表1　碳纤维性能参数Table 1　Carbon fiber performance parameter list

表2　树脂基体性能参数Table 2　ResinGbased performance parameter

ABAQUS提供了两种计算热应力的方法,即顺序耦合热应力分析、完全耦合热应力分析[14].在工况中,应力场受温度场变化的影响较大,而温度场受应力场的影响很小,因此采用顺序耦合的方法计算热应力,即先进行温度场分析,然后再进行热力耦合分析.

在筒状编织结构的两端施加恒定的温度载荷,对于通过一个等截面物体的稳态导热,如果温度仅在厚度方向上发生变化,可以处理为一维导热问题,与截面的面积大小及形状无关[15].设导热系数为常数,已知一个轴向长度为δ、没有内热源的筒状结构,其两个轴向上端面的温度均为恒定温度t1,t2.有

其中:x＝0,t＝t1;x＝δ,t＝t2.

对式(1)连续积分得温度分布为

其中:δx为轴向距离,选取δx为不同数值,可以得到不同轴向距离位置的理论解,然后提取仿真模型中对应节点的仿真结果,两者对比,结果如表3所列.

表3　温度场仿真值与理论值对比Table 3　Comparison of stimulation value and theoretical value in temperature field

对比可知,仿真结果与理论解基本一致,误差小于5%,因此由ABAQUS得到的温度场分布是正确的,通过提取温度场云图轴向的不同节点(见图5),可以得到沿轴向路径温度分布的对比图(见图6).

图5　温度分布云图Fig．5　Temperature distribution nephogram

图6　沿轴向路径温度分布曲线对比Fig．6　Comparison of temperature distribution curve along the axial path

在温度场仿真结果的基础上,将其作为预定义场导入应力分析模型,改变网格类型及单元数目,然后再施加轴向拉伸的位移载荷,分析热载荷、拉伸载荷作用下的应力场.对于应力分析而言,如何确定一套实用高效的网格十分重要,对于几何形状复杂的有限元模型,划分六面体网格十分困难,而四面体网格可以很好地体现模型几何特征,因此选用四面体网格.对于分析编织型复合材料,由于不存在不规则的曲面和曲边,因此选用线性单元就可以保证计算的精度且同时可以缩短分析时间.对于网格是否有效,可以采取在模型上选取具有代表性的几何节点,通过改变网格的单元数目,然后提取出分析的主要指标(如Mises应力).通过分析发现:当网格数量较少时,指标震荡;当单元数目达到某一数量,在之后的一段区间内,分析指标趋于稳定;单元数量继续增大,由于ABAQUS在迭代运算时产生的误差,分析指标发散如图7所示.从而可以确定在某个单元数量的区间内网格是否合理有效,继而选取出在这个区间内一个合理的单元类型及数目用于分析.

图7　网格有效性校核Fig．7　Effective check of grids

选取单元类型为DC3D4,单元数目71 690个,得到有效Mises应力分布,如图8所示.

图8　Mises应力云图Fig．8　Mises stress nephogram

可以看到,纤维上最大的Mises应力为6 191 MPa,出现于轴向纤维部分.基体材料最大的Mises应力为1 273 MPa,编织纤维结构的Mises应力明显大于基体材料的Mises应力,且拉伸方向的纤维(轴向)承担了较大的载荷.说明模型在承担轴向位移载荷时,纤维起到了很好的增强作用,基体起连接纤维、传递应力的作用.

3　结论

以碳纤维增强树脂基复合材料为研究对象,通过三维CAD软件建立模型.以有限元软件ABAQUS为仿真平台,采取顺序热力耦合的方法,对筒状编织结构进行了温度场和应力场分析,结果表明:

(1)温度场呈线性分布,该编织纤维结构对材料的增强起到了较好的作用,在热载荷、拉伸载荷共同作用时,轴向纤维承担了大部分载荷,环向纤维提高结构强度,基体连接纤维、传递应力,分析结果和理论与实际相符.因此,采用该编织结构对树脂基材料进行增强是切实可行的.

(2)通过设计编织结构、材料属性、网格类型及数目,建立了一套对筒状编织体结构从结构设计到应力分析的有效方法,该方法对工程应用有一定的借鉴、指导作用.

[1]Chou T W,Ko F K．Textile Structural Composites．Composite Materials Series[M]．Amsterdam:Elsevier Science Publishers B V,1989．

[2]杜善义．先进复合材料与航空航天[J]．复合材料学报,2007,24 (1):1G11．

[3]刘冬欢,郑小平,王飞,等．内置高温热管C/C复合材料热防护结构热力耦合机制[J]．复合材料学报,2010,27(3):43G48．

[4]姚学锋,杨桂,姚振汉,等．编织结构复合材料热膨胀特性的实验研究[J]．复合材料学报,2000,17(4):21G25．

[5]庞宝君,曾涛,杜善义．三维多向编织复合材料有效弹性模量的细观计算力学分析[J]．计算力学学报,2001,18(2):231G 234．

[6]安汝平,李旭东,张赋,等．层合结构复合材料热膨胀系数的有限元计算[J]．塑料,2013,42(6):80G82．

[7]梁军,陈晓峰,庞宝君,等．多向编织复合材料的力学性能研究[J]．力学进展,1999,29(2):197G209．

[8]徐亚栋,钱林方．复合材料身管热结构耦合分析与优化[J]．弹道学报,2006,18(4):31G35．

[9]Soheil M．Prediction for Coefficients of Thermal Expansion of ThreeGdimensional Braided Composites[J]．AIAA Journal, 1997,35(1):141G144．

[10]张旭东,李旭东,张赋．碳纤维增强树脂基复合材料力学性能预测[J]．甘肃科技,2012,28(9):67G69．

[11]杨振宇,卢子兴,刘振国,等．三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析[J]．复合材料学报,2005,22(5):155G160．

[12]蔡为仑(美)．复合材料设计[M]．北京:科学出版社,1989．

[13]石亦平,周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解[M]．北京:机械工业出版社,2006．

[14]庄茁．基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]．北京:清华大学出版社,2009．

[15]杨世铭,陶文铨．传热学[M]．北京:高等教育出版社,2006．

Coupled ThermoGmechanical Analysis of Tubular ResinGbased Carbon Fiber Braid

Tang Yuanliang,Li Xudong,Mo Yanbo
(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

Aiming at analyzing the performance of composite material with braided structure by using stimG ulation actions,a tubular composite geometric model with braided structure is designed based on 3D CAD software as design platform．Based on finite element software ABAQUSas computing platform,a computG er simulation analysis of service behavior of finite element model of tubular resinGbased carbon fiber braiG ded material is achieved under combined action of thermal load and displacement load,and the distribution of temperature field and stress field of model is obtained．This method is of generality,which provides an important idea and method for the research on tubular braided material by numerical method．

Finite element;Braided structure;Computer simulation;Composite material;ThermalGmechanG ical coupling

TB332

A

1004G0366(2016)02G0097G04

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．021．

2015G01G03;

2015G03G25．

唐园亮(1982G),男,辽宁锦州人,硕士研究生,研究方向为材料加工过程的计算机仿真．EGmail:32690608＠qq．com．

李旭东．EGmail:lixd＠lut．cn．