复合材料层合板的静态力学性能

范围内可以 允许层厚度在单 元面积上以双 线性变 化。 SOL ID46有一个等效的横向刚度, 以允许在横 向上有非零应力、应变和位移。
图 1 SOLID46单元示意图 F ig 1 Sketch m ap of SOLID46 cell
1 2 失效准则的确定 [6] 在 ANSYS软件中有三种预先定义好的破坏准
比。只要 某 单 元的 各 应力 分 量 满足 上 述 某 一 方
1 有限元建模 [ 5]
1 1 单元体选择 ANSYS 软件 中 提供 了 SHELL91、SH ELL99 和
SOLID46三种单元分析复合材料层合板, 本文采用 了 SOLID46单元。
下 面 简 单 介 绍 一 下 SOLID46 单 元 的 特 性。 SOLID46单元是八节点三维实体单元 SOLID45的一 种层叠形式, 它的每个节点有三个自由度, 即沿 x、y 和 z三个方向的平 动自由度, 示意 图如图 1 所示。 该单元主要针对宽厚比小于 10的结构。它可用以 建立叠层壳或实体的有限元模型, 每个单元允许有 多达 250 层的等厚材料层。另外, 该单元在 125层
复合材料是 20世纪 60年代中期崛起的一种新 型材料, 是由两种或两种以上不同物质以不同方式 组合而成, 它可以发挥出各种材料的优点, 克服单一 材料的缺陷, 扩大材料的应用范围。复合材料具有 重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良等优点 [ 1 ] 。 本文要研究二维机织复合材料, 它是由层合板发展 而来的新型复合材料, 目前研究尚未成熟, 还处于试 验和探索阶段。二维机织复合材料层合板是由具有 双向增强的纤维编织而成的, 它不同于层合板的最 大特点就是双向增强, 这使得单层板在相互垂直的 两个方向得到很好的增强 [ 2, 3] 。然而, 对于层合板, 由于铺层顺序的不同, 层合板又表现出不同于单层 板的特殊性质, 本文就是围绕这类机织材料层合板 的静强度特性展开分析的 [ 4] 。

ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｄ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ 、 ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｌ ｆ ｅ ｘ ｕ ｒ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔｈ ｇ ｏ ｆ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｗａ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ
ｂ ｉ ｇ ｇ ｅ ｓ ｔ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ Ｗ ｓ ａ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔｈ ｇ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｎ ｏ ｔ ｉ ｃ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ｉ ｎ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｎｄ ａ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ ， ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ， ｌ ｆ ｅ ｘ ｕ ｒ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔｈ ｇ ． ＫＥ Ｙ Ｗ Ｏ ＲＤＳ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ；ｌ ｏ ｗ —ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ；ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ；ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ｌ ａ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔｈ ｇ
１ 引 言
纤 维增 强树 脂基 复 合材 料 由于具 有 高 的 比刚度 和 比强 度 、 抗 疲 劳性 能好 及 良好 的可 设 计 性 等 优 点 得 到 了广泛 应 用 。然 而 ， 复 合 材 料 结 构 在 使 用 过 程 中会 经 常遇 到 冲击 问题 ， 如 飞鸟 的撞击 、 维 修 时不慎 掉落 的工具 和跑 道 上 溅 起 的 沙 石 等 ， 这 些 冲 击 常使

(1. 山东交通学院理学院，济南 250357 ； 2. 大连理工大学工程力学系，辽宁大连 116024)
摘要：以应用于某新能源电动汽车的复合材料层合板为研究对象，利用万能试验机和静态应变测试分析系统等 提出了可靠的复合材料层合板准静态拉伸和压缩力学性能试验测定方法，从而为复合材料结构在汽车轻量化中的设 计和应用提供了试验依据。该层合板结构采用 ±45° 交叉铺层方法，由 2 层碳纤维、1 层芳纶纤维和 2 层玻璃纤维层 叠构成。试验结果表明，该复合材料层合板在准静态拉伸时呈现沿 ±45° 方向和层间分离挤压的断裂失效模式，这 与其内部纤维铺层方向是一致的。同时，由于在复合材料板材中加入了增韧和板材失效时起连接作用的芳纶纤维和 玻璃纤维铺层，该复合材料层合板的整体力学性能较常见碳纤维增强复合材料板材，其弹性模量和强度性能均有所 降低。
Ꮐ߇ijMPa Ꮐ߇ijMPa
(a)
(b)
a—正向；b—侧向
图 6 复合材料拉伸试件破坏样貌
160 140 120 100
80 60 40 20
0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
应变ij%
图 7 复合材料准静态拉伸应力 – 应变曲线
160.28
1.81
横向
14.83
155.59
1.55
2．2 准静态压缩测试 复合材料试件准静态压缩破坏后断裂模式如
图 8 所示，可以看到随着试件发生失效破坏，复合材 料中部出现一个与轴向成 45° 的断口，这一现象与 复合材料的铺层有关。同时观察试件侧向破坏面， 可以发现复合材料内部层与层之间还发生了显著的 层间分离和挤压现象。可以看到，试件断裂发生在 平行段，符合 ASTM D6641–2014 测试标准关于复 合材料失效模式的描述 [11–12]，因此该压缩测试试件 均为有效。复合材料试件准静态压缩应力 – 应变曲 线见图 9 所示。可以看到试件的压缩曲线分为典型 的弹性阶段与破坏阶段，并在达到破坏强度时失效。

复合材料层合板的力学行为与优化设计复合材料层合板是由两个或多个不同材料的层按照一定方式堆叠而成的结构材料。

它具有优异的力学性能和设计灵活性，在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域得到广泛应用。

本文将从力学行为和优化设计两个方面对复合材料层合板进行探讨。

首先，复合材料层合板的力学行为是理解和研究该材料的基础。

复合材料层合板的力学性能受到多种因素的影响，包括材料的性质、层间粘结强度、层间厚度比、层间角度等。

其中，材料的性质是决定层合板力学性能的关键因素。

复合材料层合板通常由纤维增强复合材料和基体材料组成。

纤维增强复合材料具有高强度、高刚度和低密度的特点，而基体材料则具有良好的韧性和耐磨性。

通过选择不同的纤维和基体材料，可以实现对层合板力学性能的调控。

其次，复合材料层合板的优化设计是提高材料性能和降低成本的重要手段。

优化设计的目标是找到最佳的材料组合、层间厚度比和层间角度，以满足特定的工程要求。

优化设计可以通过数值模拟和实验测试相结合的方式进行。

数值模拟可以通过有限元分析等方法，预测不同设计参数对层合板力学性能的影响。

实验测试可以通过拉伸、弯曲、剪切等试验，验证数值模拟结果的准确性。

在优化设计过程中，需要考虑的因素包括强度、刚度、韧性、疲劳寿命和成本等。

强度是指材料抵抗外力破坏的能力，刚度是指材料对应力的响应程度，韧性是指材料在受到外力作用下的变形能力，疲劳寿命是指材料在循环加载下的使用寿命。

通过优化设计，可以在满足这些要求的前提下，尽量降低材料的成本。

在实际应用中，复合材料层合板的优化设计需要综合考虑多个因素。

例如，层间厚度比的选择既要考虑强度和刚度的要求，又要考虑材料的成本和制造工艺的可行性。

层间角度的选择既要考虑层间剪切强度的要求，又要考虑层间粘结强度和制造工艺的限制。

因此，在优化设计中需要综合考虑材料的性能、制造工艺和经济性等多个方面的因素。

总之，复合材料层合板的力学行为与优化设计是研究和应用该材料的重要内容。