随机排列纤维复合材料热传导性能的有限元分析

摘要

本文提出了一种纤维随机排列与周期阵列相结合的单胞有限元模型用于计算随机排列纤维复合材料有效热导率。该模型通过令单胞的内部纤维随机排列并施加双周期边界条件,既实现了纤维随机排列的近似模拟,又减少了计算量,同时减少了边界效应的影响。将施加不同边界条件(均匀温度边界条件,均匀热流密度边界条件,双周期边界条件)得到的计算结果进行对比,发现施加单胞双周期边界条件可以利用较小规模的单胞模型模拟纤维随机排列情况。在纤维的热导率明显高于基体的情况下,由于纤维的随机聚集,会形成热流通路,从而对复合材料热传导具有增强作用,造成随机排列模型有效热导率计算结果明显高于纤维周期排列和经典理论计算的结果,这与实验结果吻合较好。本文研究可以为发展考虑纤维随机排列的有效热导率的近似解析公式提供依据。