纤维增强聚合物复合材料力学性能的预测研究

摘要

纤维增强聚合物基复合材料以质量轻、比强度高、比模量高、等优点,已获得了广泛的应用,对纤维增强聚合物制品的力学性能的计算,一般采用层合板理论。对于短纤维增强聚合物基复合材料的力学性预测,只要满足纤维单一取向的条件,多采用Tandon-Weng理论模型。在实际的注塑制品中,虽然可以采用增加流道等工艺使纤维取向趋向一致,但影响有限,即使对于简单的试件,我们也很难使纤维有单一的取向,因此Tandon-Weng模型的准确性难以通过实验进行验证和修正。而对于复杂真实的制件,基于Tandon-Weng模型的复合材料力学能的计算的准确性则更加难以预测。对于Tandon-Weng模型的准确性的验证多采用有限元法。本文也将采用有限元法借助大型通用有限元分析软件Ansys程序在三维情况下对Tandon-Weng模型的结算结果进行初步验证。
　　 本论文首先按照Tandon-Weng模型的计算方法编写计算程序对复合材料力学性能进行预测计算;其次利用Ansys软件建立单一夹杂的三维有限元模型,进行网格划分,根据不同的材料指定单元的材料属性,添加约束条件并进行拉伸模拟,然后运用广义的胡克定律解出复合材料的宏观力学性能。最后,在不同的纤维体积含量、排列方式和不同长径比等条件下,以有限元数值模拟计算结果为准验证Tandon-Weng模型预测结果的准确性。其结论为:Tandon-Weng理论模型对于单一取向的短纤维增强复合材料力学性能的预测存在着一定的局限性,并不能适用于所有情况。Tandon-Weng理论模型在预测颗粒增强复合材料方面,在增强颗粒体积含量较低时预测比较准确,若增强颗粒体积含量较高,其预测的复合材料有效弹性模量偏小,泊松比偏大,而且随着体积含量的增加,误差也增大;在注塑短纤维增强复合材料方面,在增强纤维体积含量,纤维长径比都确定的情况下,Tandon-Weng模型适用于预测增强纤维按某一特定的周期性均匀排布的情况,若纤维的排列方式改变,则其模型不能给出较为准确的预测结果。考虑到短纤维在注塑制品中分布的随机性,Tandon-Weng模型还不能反映出纤维的微观分布状态,无法给出相应的等效的均匀分布模型。