多尺度纤维增强复合材料

摘 要：由于纤维增强复合材料具有轻质高强的特点，因此逐渐应用于工程实践中。但纤维方向对材料的整体力学性能有很大影响，急需深入研究。文章采用数值仿真计算和文献综述的方法，对不同方向的纤维复合材料进行了模拟。在Digimat中构建不同纤维方向或在Moldflow上设置特定纤维方向，并在ANSYS中建立结构模型。之后，将Digimat与ANSYS连接，纤维方向被赋予宏观结构上，通过ANSYS中进行计算，分析仿真结果。文章以悬臂梁受均布荷载为例，对整体结构进行分析，以Von-Mises应力分布状态进行讨论。计算结果显示玻璃纤维材料能够提高整体结构性能，并在一定方向时，悬臂梁呈现出较好的力学性能。

关键词：Digimat；ANSYS；纤维增强复合材；纤维方向

中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0026-02

Abstract： Because fiber reinforced composites have the characteristics of light weight and high strength， they are gradually applied in engineering practice. However， the direction of the fiber has a great impact on the overall mechanical properties of the material， which needs to be studied in depth. In this paper， numerical simulation and literature review are used to simulate the fiber composites in different directions. Different fiber directions were constructed in Digimat or specific fiber directions were set on Moldflow， and structural models were established in ANSYS. After that， the Digimat is connected with the ANSYS， and the fiber direction is assigned to the macroscopic structure. The simulation results are analyzed through the calculation in ANSYS. With beam as an example， the whole structure is analyzed， and the stress distribution of Von-Mises is discussed. The results show that the glass fiber material can improve the overall structural properties， and in a certain direction， the cantilever beam presents better mechanical properties.

Keywords： Digimat； ANSYS； fiber reinforced composite； fiber direction

由于纖维增强复合材料具有轻质、高强、耐疲劳等特性，近年来，其力学行为问题成为国内外学者重要研究方向。2015年，Mortazavian和Fatemi[1]综述了近年来短纤维增强聚合物复合材料（SFRPC）的疲劳及破坏行为相关研究，讨论了与微观结构相关的循环加载、应力集中等一系列问题的实验及建模问题。2013年，Yalin Yu和Jinrui Ye等人[4]研究了超声波与带孔洞增强复合材料的关系，使用DIGIMAT-FE建立了含孔洞的中尺度复合材料模型，通过ABAQUS/Explicit将超声激励加载到模型中，最终通过实验验证该模拟方法的正确性。本文中，以玻璃纤维与一种弹塑性材料基底为例，通过Digimat-MF建立纤维增强复合材料微观模型RVE，并经与ANASYS耦合完成结构宏观建模与受力分析。

1 多尺度纤维增强复合材料的结构

1.1 微观结构

微观结构的力学性能对纤维增强复合材料整体性能产生极大影响。纤维增强复合材料的研究基础：代表性体积单元（Representative Volume Element简称RVE）成为其结构研究中的重要部分。RVE可准确表现材料内部结构材料取向、纤维组成等方面，并采用均质化方法将复合材料进行均质化处理并计算。本文中，RVE由玻璃纤维相和弹塑性材料基底两种材料共同组成。该材料在承受荷载作用时，两种不同相表现出不同的受力和变形状态。

Digimat是一款多尺度仿真建模软件，用于研究各向异性复合材料，并可通过逆向工程与实验数据进行拟合接近[5]。Digimat-MF模块基于Mori-Tanaka理论对代表性体积单元进行均质化，并可自行生成RVE[7]。第一步，RVE被分解成有限个单向伪晶粒，并基于Mori-Tanaka理论均化各个伪颗粒。在第二步中，通过Voigt模型，将伪晶粒的RVE均化为完全均质材料。

1.2 宏观结构

本文选择玻璃纤维和弹塑性材料为基底的纤维增强复合材料进行研究。为了对材料进行全面研究，选取了玻璃纤维体积比为15%的成分组成。纤维取向从0°到90°变化，具体分布见表2。为了对不同纤维方向结构进行讨论，仍以玻璃纤维和弹塑性材料为复合材料组成基础，本文讨论了四个不同纤维方向的悬臂梁结构，并对其结果进行了讨论。

由表3仿真计算结果可知，当纤维方向为30°时，有最大应力值及最小应力值，证明该悬臂梁上应力分布不均匀。当纤维方向为0°时，此时应力处于较为均匀状态但应力值较大。纤维方向为45°和90°时，应力值较小且较为均匀，更适合于工程实践。在布置纤维方向时，可有多种结构，以上4种方式仅为实例，具体如何选择仍需后续研究。

除在内部设置纤维方向外，Digimat-MF提供了映射功能，可将Moldflow注塑形成的纤维方向映射到结构中。本文以ANSYS为计算工具，对悬臂梁受均布荷载情况进行了研究，得到结果如图1（a）所示。为更加精确研究玻璃纤维复合材料，本文将Moldflow预注塑形成的纤维方向映射到结构网格上，从而对特殊纤维方向结构进行研究，计算结果如图1（b）所示。

通过以上计算结果可知，未映射纤维时结构应力分布与映射纤维后的应力分布差距较大，且整体力学性能有所改善。对于特殊材料，纤维方向难以设置，可先经由Moldflow等软件完成，再进行后续力学分析。

2 结束语

本模型采用玻璃纤维与弹塑性基底的纤维增强复合材料，研究了不同纤维方向的微观RVE对结构整体力学性能的影响。通过悬臂梁算例分析可看出，加入纤维材料时，结构整体受力性能得到提升。当纤维方向在某一范围时，结构的抗拉和抗压性能达到均匀且较高水平。因此，本算例对含有纤维增强复合材料的工程结力学性能进行了检验，对今后工程实践有所帮助。

参考文献：

[1]Mortazavian S， Fatemi A. Fatigue behavior and modeling of short fiber reinforced polymer composites including anisotropy and temperature effects[J]. International Journal of Fatigue， 2015，77：12-27.

[2]Yu Y， Ye J， Wang Y， et al. A mesoscale ultrasonic attenuation finite element model of composites with random-distributed voids[J]. Composites Science & Technology， 2013，89（89）：44-51.

[3]何立，毛笑笑，周開发.复合材料建模平台Digimat应用研究进展综述[J].建材与装饰，2017（4）.

[4]Lindhult J， Ljungberg M. Fatigue analysis of anisotropic short fibre reinforced polymers-by use of Digimat and nCode DesignLife[J].2015.