关于三维中空夹芯复合材料侧压性能的有限元分析

　　三维中空夹芯复合材料的空间特征为芯部纤维沿经向呈现X字形，X字形的高低( Z 向) 可以调节，在X、Y 两个方向的间距可以设计，结构示意图如图1 所示。该材料主要由玻璃纤维、碳纤维等织造而成，具有高强、高模、轻质等特性，目前已广泛应用于高铁、船舶、飞机、油罐车、建筑等领域。
　　研究发现，该结构材料在使用过程中主要承受压缩和低速冲击等载荷，此类载荷可能对材料造成非常致命的损伤，甚至威胁到材料的使用寿命。借助有限元软件ANSYS，可以对材料承载及破坏历程进行模拟，从而对材料结构实施优化设计，改善材料的性能。杨振宇等建立三维编织复合材料单胞模型，并对材料的有效模量进行了预测; 黄桥平等研究了碳纤维板复合材料的拉伸性能，并应用弹塑性动力损伤本构模型对层板的拉伸失效过程进行了模拟分析; 邹健等研究了织物增强层合板高速冲击后的损伤容限，并借助有限元软件分析了层合板拉伸损伤扩展历程; 姚秀冬等应用有限元软件ANSYS 建立了复合材料夹芯板的结构模型，并分析了结构参数对材料应力分布的影响规律; 周亮等应用有限元软件建立多胞织物结构复合材料模型，并研究了材料的静态弯曲性能。
　　本文借助有限元软件ANSYS，拟建立三维中空夹芯复合材料的结构模型，并从细观角度出发，对材料的侧压性能进行分析。
　　1 建立模型
　　1. 1 基本假设
　　当材料受到垂直于侧面板的侧压载荷作用时产生压缩变形，上下面板起主要支撑作用，因此本文中对三维中空夹芯复合材料进行有限元模拟分析时，重点研究上下面板的特性。为了简化模型，作如下假设:
　　( 1) 三维中空夹芯复合材料受到侧压载荷时，主要表现为上下面板发生弯曲变形，且随着压力的增大，变形随之增大，因此假设芯材为弹性体，在侧压过程中不产生变形;
　　( 2) 在侧压过程中，上下面板在水平方向有位移，在垂直方向位移为Free
　　( 3) 在侧压过程中，将纤维截面也近似看成跑道形，且在承载过程中不发生扭转。
　　1. 2 模型建立
　　三维中空夹芯复合材料主要由两个系统组成，纱线系统和树脂系统。三维中空夹芯复合材料细观结构模型，纱线系统、树脂系统。
　　2 加载与计算
　　2. 1 刚强度常数
　　本课题的三维中空夹芯复合材料组成主要包
　　括: 增强体为各向异性的碳纤维、基体为各向同性的
　　环氧树脂体系。
　　2. 2 网格划分和加载
　　网格划分: 三维中空夹芯复合材料的结构模型采用三面体进行网格划分。
　　边界条件: 按照实际侧压试验工况对材料进行约束，即对左侧面板进行位移( Displacement) 约束，其中X、Z 方向的位移均设为Free，Y 方向的位移设为0mm。
　　施加载荷: 三维中空夹芯复合材料进行侧压试验时属于静载荷分析，因此本课题采用位移( Displacement)载荷对右侧面板进行加载。其中X、Z方向的位移均设为Free，Y 方向的位移设为- 1mm。
　　3 结果与分析
　　3. 1 材料的应力和应变
　　在受到侧压载荷作用时，三维中空夹芯复合材料上下面板的经、纬纱交织处应力、应变值最大，分别为1. 9861GPa、0. 092802mm/mm，芯材应力、应变值最小，分别为0. 4246MPa、2. 3115 10 - 4mm/mm。说明三维中空材料在受到侧压载荷作用时，上下面板是承压的主体，芯材承压较小。因此在实际生产和应用时，应特别加强上下面板经纬纱交织处的结构强度和刚度的设计。位移最大值出现在右侧面( 受载荷处) ，位移最小值出现在左侧面，最大、最小值分别为1. 0114mm、0. 11594mm。
　　3. 2 组分的应力和应变
　　( 1) 三维中空夹芯复合材料在受到侧压载荷作用时，纤维起主要承载作用，而树脂起次要作用。在受到侧压载荷作用时，经向碳纤维的最大应力值为1. 9861GPa、最小应力值为221. 83MPa; 树脂的最大应力值为376. 39MPa、最小应力值为0. 75253MPa。说明纤维是复合材料力学性能的主要决定因素;
　　( 2) 本文的三维中空夹芯复合材料在侧压位移载荷达到1mm 时，材料的破坏模式主要是树脂破裂。纤维的最大应力值为1. 9861GPa，小于表2 中碳纤维断裂强度值5. 3GPa，说明碳纤维并未发生破坏;树脂的最大应力值为376. 39MPa，大于表2 中树脂断裂强度值370MPa，说明树脂已经发生破裂损伤;纤维的最大应变值为0. 092802mm/mm，树脂的最大应变值为0. 085546mm/mm，纤维的应变值远大于树脂，说明树脂与纤维已发生较大的脱粘现象。
　　4 结论
　　( 1) 三维中空夹芯复合材料在受到侧压载荷作用时，上下面板的经、纬纱交织处应力最大，最容易发生侧压破坏，芯材应力最小，不容易发生侧压破坏;
　　( 2) 三维中空夹芯复合材料在受到侧压载荷作用时，增强体纤维起主要承载作用，基体树脂起次要作用，当压缩位移载荷达到1mm 时，材料的破坏模式主要为树脂破裂。