纤维增强复合材料弹性性能预测的域分解方法及应用

提出了新的有限元建模方法,即域分解方法,用于预测纤维增强复合材料单向带T300/BSL914C(环氧树脂)和AS4/3501-6(环氧树脂)的弹性性能。域分解方法基于区域叠合技术,分别建立单胞的整体域与纤维域模型用于代替传统有限元建模方法中单胞的基体域与纤维域模型。整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加,两区域网格独立划分,互不影响。采用MSC.Nastran中的多节点约束Explicit单元,在整体域与纤维域节点之间建立位移连接属性模拟单胞基体域与纤维域之间的位移约束关系,从而实现两区域的耦合计算。计算结果表明:域分解方法单胞模型纤维增强方向弹性模量Ez预测值与试验值误差在7%以内,其余弹性常数也都与试验值吻合较好。域分解方法不仅可以大大简化纤维增强复合材料的细观力学建模,而且可以准确地预测纤维增强复合材料的弹性性能。

二维平纹机织复合材料弹性性能预测的域分解方法

为了预测二维平纹机织复合材料的弹性性能,提出了基于有限元重合网格法的域分解方法。域分解方法与传统代表体元法的有限元建模不同,前者不再建立精细的纤维与基体模型,而是分别建立二维平纹机织复合材料单胞的整体域与纤维域,整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加,两区域网格独立剖分,互不影响。采用MSC.Nastran中的多节点约束在纤维节点与基体节点之间建立位移协调来模拟纤维和基体单元的位移函数关系,实现了纤维域和基体域的耦合计算。研究表明,域分解方法大大简化了机织复合材料细观力学建模的复杂性,降低了建模时间,采用域分解方法预测的二维平纹机织复合材料弹性常数与试验值吻合较好,充分说明了该预测模型与方法的正确性。研究了不同纤维体积分数下,域分解方法预测二维平纹机织复合材料的弹性常数的变化趋势,结果表明,随纤维体积分数增加,模量呈上升趋势,泊松比呈降低趋势。