兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (3): 702-717.doi: 10.12382/bgxb.2021.0835
收稿日期:
2021-12-08
上线日期:
2022-06-17
作者简介:
![]() |
邱伊健(1992—),男,助理研究员。E-mail:893879165@qq.com |
基金资助:
QIU Yijian1(), ZHENG Ping2(
), CHENG Xiangping1, GUO Yusong1
Received:
2021-12-08
Online:
2022-06-17
摘要:
采用一种新型的多尺度短切纤维填充树脂均匀化方法,目的在于探寻随机短切纤维离散角度对复合结构方向模量的均一化响应,同时研究卷曲短切碳纤维(CCF)单元在具有代表体积元(RVE)结构中随机分布所引起的复合材料结构性能变化。在均一化方法中使用一种基于高斯定理的RVE结构子域后处理方案,用于提取三维结构的平均应变和应力。利用X射线计算机断层扫描方法确定2阶张量取向角和剪切纤维长度在测试样品中的概率分布信息,设计比较3种尺寸的RVE模型,通过实验和计算研究CCF多尺度复合模型应力影响区衰减长度的影响因素和该均匀化方法引起的带有旋转角度的RVE方向模量均匀化响应。研究结果表明,复合结构的剪切模量比正轴模量相对旋转角度更为敏感,衰减长度与RVE尺寸、单胞结构和纤维扭曲度等因素相关。因此,研究随机短纤维的离散性对宏观复合结构方向模量的设计,铺层角度的优化等领域具有十分重要的应用。
邱伊健, 郑萍, 程香平, 郭玉松. 随机多尺度短切碳纤维复合结构模型中RVE尺寸效应和方向模量的均一化响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(3): 702-717.
QIU Yijian, ZHENG Ping, CHENG Xiangping, GUO Yusong. RVE Size Εffect and Homogenizing Response of Directional Modulus in Stochastic Multi-scale Chopped Carbon Fiber Composite Structure Model[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(3): 702-717.
基体材料 | CCF | 界面材料 | |||
---|---|---|---|---|---|
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
ρ/(t·m-3) | 1.14 | ρ(/t·m-3) | 1.86 | ρ/(t·m-3) | 1.14 |
E/GPa | 3.0 | E/TPa | 0.38 | E/GPa | 5.0 |
ν | 0.37 | ν | 0.22 | ν | 0.35 |
σs | 20 | DCCF/μm | 6.9 | di/μm | 8.3 |
强化模量/GPa | 30 | G12,G13/TPa | 0.12 | 强化模量/GPa | 32 |
强化指数 | 75 | G23/TPa | 0.255 | 强化指数 | 74.5 |
线性强化模量/GPa | 10 | 横纵比 | 145 | 线性强化模量/GPa | 11 |
LCCF/mm | 1 | Lm/mm | 0.4 | ||
弯曲度 | 3 | ||||
体积分数/% | 0.2~1.24 |
表1 RVE结构各相材料属性
Table 1 Material properties of each phase in RVE structure
基体材料 | CCF | 界面材料 | |||
---|---|---|---|---|---|
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
ρ/(t·m-3) | 1.14 | ρ(/t·m-3) | 1.86 | ρ/(t·m-3) | 1.14 |
E/GPa | 3.0 | E/TPa | 0.38 | E/GPa | 5.0 |
ν | 0.37 | ν | 0.22 | ν | 0.35 |
σs | 20 | DCCF/μm | 6.9 | di/μm | 8.3 |
强化模量/GPa | 30 | G12,G13/TPa | 0.12 | 强化模量/GPa | 32 |
强化指数 | 75 | G23/TPa | 0.255 | 强化指数 | 74.5 |
线性强化模量/GPa | 10 | 横纵比 | 145 | 线性强化模量/GPa | 11 |
LCCF/mm | 1 | Lm/mm | 0.4 | ||
弯曲度 | 3 | ||||
体积分数/% | 0.2~1.24 |
图9 3种尺寸RVE的纤维填充过程(纤维横纵比:145DCCF=6.9 μm,纤维扭曲度=0.3)
Fig. 9 Fiber filling process of CCF for RVE of three sizes(Fiber aspect ratio: 145DCCF=6.9 μm, Torsion of fiber= 0.3)
参数/GPa | 均一化模量α=β=45° | 实验测定模量 |
---|---|---|
E1’ | 311 | 313 |
E2' | 308 | 311 |
E3' | 284 | 285 |
G1'2' | 605 | 612 |
G2'3' | 610 | 615 |
G3'1' | 561 | 566 |
v1'2' | 0.255 | 0.26 |
v2'3' | 0.252 | 0.256 |
v3'1' | 0.249 | 0.251 |
表2 当α=β=45°时,均一化模量与实验对比
Table 2 Comparison of the homogenization modulus with the experiment when α=β=45°
参数/GPa | 均一化模量α=β=45° | 实验测定模量 |
---|---|---|
E1’ | 311 | 313 |
E2' | 308 | 311 |
E3' | 284 | 285 |
G1'2' | 605 | 612 |
G2'3' | 610 | 615 |
G3'1' | 561 | 566 |
v1'2' | 0.255 | 0.26 |
v2'3' | 0.252 | 0.256 |
v3'1' | 0.249 | 0.251 |
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