基于柔性结点梁单元和分层法的石墨烯/环氧树脂纳米复合材料力学性能预测

摘要

通过建立三明治代表体单元的有限元模型,对石墨烯/环氧树脂纳米复合材料进行力学性能分析与预测。在有限元建模中,采用柔性结点梁单元模拟石墨烯结构,采用分层法处理材料属性梯度变化的黏结界面层,采用8结点六面体实体单元离散环氧树脂基体。首先通过与文献给出的石墨烯杨氏模量实验值和模拟计算值对比,确定柔性结点梁单元的柔性系数,然后在不考虑黏结界面层的情况下,预测石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的杨氏模量E_(cx),预测结果与混合率(Role of Mixture,简称“ROM”)公式的计算结果非常吻合,验证了本文提出方法的正确性和可靠性。通过杨氏模量E_(cx)和剪切模量G_(xy)的数值算例,讨论了分层法处理材料属性梯度变化的黏结界面层的收敛性,结果表明当黏结界面层划到8层时,已经得到很好的收敛结果。当考虑黏结界面层时,杨氏模量E_(cx)的预测结果大于ROM结果,并且在黏结界面层材料属性指数函数分布情况下,E_(cx)计算值比ROM值更接近实验值,验证了考虑黏结界面层的必要性。