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复材分析概述

1、复合材料概述

复合材料(composite materials)是这样的一类材料:采用物理或化学的方法,使两种或两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中,以达到提高材料的某些性能,或互补其缺点,或获得新的性能(或功能)的目的。通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能,与一般材料的简单混合有本质的区别。复合材料是在结构成形的同时形成的,因此,材料性能依赖于成形工艺,材料许用值与结构成形工艺密切相关,同时,所用材料/工艺的任何变化都有可能?#36234;?#26500;性能带来变化。由于复合材料的上述优点,在航空航天、汽车、船舶等领域,都有广泛的应用,同时,复合材料的大量应用对分析技术提出新的挑战。

按照基体材料的种类不同,分散强化型复合材料可分为三大类:

① 金属基复合材料(metal matrix composites:MMC)。

② 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites:CMC)。

③ 高分子基复合材料(polymer matrix composites: PMC)。

    利用有限元技术分析复合材料的优点:

v 采用传统的等代设计(等刚?#21462;?#31561;强度)、准网络设计等设计方法,复合材料的优异性能难以充分发挥。

v 在复合材料结构分析中,已经广泛采用有限元数值仿真分析,其基本原理在本质上与各向同性材料相同,只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的,包括了?#36234;?#26500;的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。

v 有限元分析软件,均把增强材料和基体复合在一起,讨论结构的宏观力学?#24418;?#22240;此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学?#24418;?#20197;每一铺层为分析单元。

2、复合材料计算方法和分析能力

   n 宏观力学分析方法

    从材料是均匀的假定出发,只从复合材料平均表观性能检验组分材料的作用来研究复合材料的宏观力学性能。它?#35757;?#21521;板看成均匀的各向异性材料,不考虑?#23435;?#19982;基体的具体区别,用其平均性能来表示单层材料的刚度和强度特性。可以比?#20808;?#26131;地分析单层和叠层材料的各力学性质。

n  细观力学分析方法

   从分析组分材料之间的相互影响来研究复合材料的力学性能。由于?#23548;氏宋?#24418;状不完全规则和排列不完全均匀,制造工艺差异与材料内部的缺陷等,细观力学分析方法尚不能完全反应?#23548;?#26448;料状况,故?#34892;?#36827;一步深入研究。

n  复合材料结构力学分析方法

    它从更粗略的角度,?#35757;?#23618;材料作为分析的起点,来分析复合材料结构的力学性能。它借鉴现有均匀各向同性材料结构力学的分析方法,对各种形状的结构元件进行分析。

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微观模拟?#21512;宋?基体的单胞模拟

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混合模拟:层合板的混合模拟

3、典型复材建模

Abaqus/CAE中复合材料的前处理建模主要采用Composite Layup模块,可以很方便的定义复合材料的每一个铺层,包括材料、铺层角、厚度等,而且可以很快捷的检查所定义铺层的正确性。

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后处理模块中,可以显示每一个铺层厚度方向上的应力、位移、损伤云图,也可以显示复合材料厚度方向上变量的变化曲线。

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另外,还可以使用Simulayt将CATIA CPD中设计的复合材料模型以及铺层导入到Abaqus/CAE中。


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