短纤维增强注塑制品力学性能预测

摘要

短纤维增强注塑制品因其力学性能优良,制备工艺简单,在航空、航天、汽车、船舶等领域得到广泛应用.为了能够合理设计出符合生产使用需要的复合材料制品,本文将从细观力学的角度,对短纤维增强注塑制品的宏观力学性能及其预测模型进行研究对比. 首先介绍了细观力学中的经典问题--Eshelby无限大基体的夹杂问题及等效夹杂理论.然后,从理论上分析了现有成熟的单向取向短纤维增强复合材料力学性能预测模型,对其计算结果进行对比发现,Tandon-Weng模型的计算结果更加准确的反映了复合材料力学性能与其各组分性能以及含量之间的量化关系. 对于非单向取向(平面取向)的短纤维增强复合材料,目前常见的各类模流分析软件中预测其力学性能的方法是:首先计算出与纤维取向状态函数相对应的取向张量,再通过特征化求出取向张量的特征值以及特征值对应的特征张量,并利用Tandon-Weng模型的计算结果,对特征张量所表征取向方向上的正轴刚度转换成为在全局坐标下的偏轴刚度,利用加权求和即可解出复合材料的刚度矩阵.因为上述模型为了提高计算效率,将纤维取向方程进行了简化,因而必然导致一定的计算误差,本文将使用未经简化的层合板理论求解结果与现有简化模型的计算结果进行对比,来验证目前使用的简化模型计算结果的准确性. 通过多个算例计算的结果对比,给出两种模型计算结果差异与复合材料各组分性能、含量以及纤维的长径比之间的变化规律.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1复合材料发展现状

1.2复合材料力学发展简介

1.3短纤增强注塑制品力学性能预测数值模拟发展现状

1.4论文主要工作

第二章复合材料细观力学问题

2.1细观力学相关理论基础

2.1.1广义胡克定律与本构方程

2.1.2平均应力与平均应变

2.1.3应力与应变集中张量

2.2 Eshelby相变问题

2.3等效夹杂理论

2.4本章小结

第三章单向取向短纤维增强注塑制品力学性能预测

3.1 Hashin-Shrikman上下限模型

3.2剪切迟滞模型

3.3 Halpin-Tsai半经验公式

3.4 Eshelby模型

3.5 Mori-Tanaka模型

3.6 Tandon-Weng模型

3.7计算结果与讨论

3.7.1不同模型计算结果对比

3.7.2 Tandon-Weng模型计算结果探讨

3.8本章小结

第四章非单向取向短纤维增强注塑制品力学性能预测模型

4.1纤维取向状态描述

4.2经典层合板理论

4.2.1单层板的正轴刚度矩阵

4.2.2单层板的偏轴刚度矩阵

4.3目前常用预测非单向短纤增强注塑制品力学性能方法

4.4层合板理论预测复合材料力学性能

4.5算例与讨论

4.6本章小结

第五章结论与展望

参考文献

致 谢