基于有限元压缩方法的复合材料RVE创建

文章提出一种有限元压缩方法,可以简单、高效地创建具有较高增强体体积分数的复合材料代表性体胞单元(RVE),其具体步骤如下:(1)基于随机顺序吸附(RSA)法生成具有较低增强体体积分数的复合材料周期性RVE;(2)在周期性边界条件约束下,采用有限元方法压缩前述创建的低增强体体积分数复合材料周期性RVE,得到有限元网格格式、具有较高增强体体积分数的复合材料周期性RVE;(3)通过后处理提取得到的高增强体体积分数复合材料周期性RVE中所有增强体的位置(和取向),进而创建CAD格式的复合材料周期性RVE.采用提出的有限元压缩方法,成功创建了体积分数达50.0%的球形增强体复合材料的周期性RVE.采用最近邻距离的概率分布函数、最近邻取向角的累积概率分布函数、Ripleys-K函数和对关联函数对创建的复合材料周期性RVE中球形增强体分布规律进行了统计分析,发现创建的复合材料周期性RVE中球形增强体空间随机分布.基于创建的复合材料周期性RVE和有限元均质法预测了不同类型的球形增强体复合材料的弹性性能,并与实验测试和双夹杂模型预测的结果进行了对比,验证了创建的复合材料周期性RVE及提出的有限元压缩方法的有效性.

用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。

基于有限元的波纹夹层板弹性和热性能等效方法研究

采用有限元分析法对波纹夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量,提取弯曲内力。根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵。最后考虑温度对弹性常数的影响,得出随温度变化的宏观等效弹性常数。同样,采用有限元方法对不同温度下夹层板热膨胀系数进行等效。对不同温度下等效前后模型的弯曲响应进行比较,误差在4%以内,验证了该方法的有效性。

连续纤维复合材料微观结构的量化分析

本文通过对连续纤维复合材料微观图像的量化分析,获取其二阶密度函数K(r),并以K(r)为主要函数建立目标函数,利用m atlab的遗传优化工具箱得出代表体单元。得出的代表体单元在力学性能上基本反映了原微观结构的力学性能。

功能型多孔夹层板的等效弹性常数研究

基于应变能等效原理,将功能型多孔夹层板的夹芯层等效为均匀的各向异性材料,并通过考虑夹芯层的面内剪切作用,即将构成代表体单元的基元杆件考虑为Timoshenko梁,建立Timoshenko梁单元的应变和宏观应变之间的关系,得到等效固体代表体单元的应变能密度与宏观应变的关系,从而,给出相应的宏观等效弹性常数。最后,通过有限元方法计算实际正方形蜂窝夹层板和等效夹层板的结构响应和低阶振动频率,验证该方法的有效性,对比分析得知该方法较原方法具有更高的精度,说明考虑面内剪切作用的必要性。

树状分叉增强复合材料弹性常数的预测方法

采用一种新型的分步积分法推导出了树状分叉增强相复合材料的纵向等效弹性模量和横向等效泊松比的理论解析解。根据理论解析解探讨了影响树状分叉增强相结构复合材料等效弹性常数的因素。通过有限元模拟验证了理论解。研究结果表明:理论预测值和数值模拟值非常接近。代表性单元体的纵向等效弹性模量和横向等效泊松比随着基本材料参数Es/Em、增强相面积分数r、主干增强相的宽度a增大而线性增大,但是代表性单元体尺寸比h/w、分叉增强相的顶角γ、分叉角度θ的变化对等效弹性常数的影响不大。在分叉根数n为2时,等效弹性模量达到最小值。这种分步积分的预测方法为该类型复合材料等效弹性常数的预测以及材料的设计提供一定的指导作用。