短纖維增強復合材料的案例
短纖維增強復合材料力學仿真技術
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作者：陳科夫 上海安世亞太結構應用工程師
本文共計1180字，閱讀時間預計4分鐘
編者按
作者詳細分析了短纖維增強復合材料力學仿真技術的應用領域和實際意義，并具體闡述了Mechanical 2021R1中實現(xiàn)短纖維增強復合材料的力學分析過程。
什么是短纖維增強復合材料
短纖維增強復合材料具有制造快速、力學性能好等優(yōu)點，已成為傳統(tǒng)材料的重要替代品。目前被廣泛應用于交通運輸、航空航天等工程領域。準確地預測短纖維增強復合材料的力學性能對于實際工程應用具有重要意義。
針對短纖維增強復合材料細觀隨機分布的特征，基于RVE的有限元法，可以很好的對復合材料的力學特性進行仿真，并且能夠滿足復合材料設計要求。
如何實現(xiàn)力學分析
ANSYS Mechanical 2021R1短纖維增強復合材料力學特性仿真功能得到了增強，該功能能夠模擬注塑材料的真實和復雜細節(jié)，如纖維的方向和零件中存在的注塑應力等。下文主要闡述在Mechanical 2021R1中如何實現(xiàn)短纖維增強復合材料的力學分析。
總體上需要建立圖1的項目流程并分析一個短纖維復合材料注塑而成的簡單模型。其中Material Designer模塊主要計算短纖維復合材料各向異性彈塑性力學性能。Injection Molding Data 為2021R1版本的新增模塊，可以導入專業(yè)注塑成型仿真軟件的相應結果，為后續(xù)分析提供輸入條件。
展開 基于Abaqus的隨機纖維增強復合材料拉伸試樣建模插件
復合材料研究是目前一個較為熱門的方向，復合材料主要分為：①纖維增強復合材料②夾層復合材料③顆粒復合材料④混雜復合材料；對于纖維增強復合材料來說，又分為連續(xù)增強復合材料、短纖維增強復合材料。短纖維增強復合材料，其優(yōu)點在于比強度高、比模量大、可設計性高、耐腐蝕、抗疲勞等，因此成為近年來的研究熱門。
有限元仿真是研究材料力學性能的重要手段，而仿真的第一步即為模型的建立。由于短纖維增強復合材料的有限元模型需要考慮隨機的纖維分布，如果纖維束數(shù)量較多，則手動在abaqus中直接建模工作量會過于繁重，因此本文介紹了一種基于abaqus的建模插件，可以成功快速實現(xiàn)隨機纖維增強復合材料拉伸試樣模型的建立。
接下來對隨機纖維增強復合材料拉伸試樣建模插件進行介紹
一、 算法
此插件核心在于生成不相交的纖維，因此選擇選用解析幾何方法對隨機生成的纖維是否與已經(jīng)生成的纖維進行相交判斷，有以下兩個難點：
難點一在于纖維是有限長度，轉化為數(shù)學模型即為線段之間的最小距離大于二倍纖維半徑，因此應將判斷分為多種情況，①直線之間最短距離為線段之間最短距離，②線段之間最短距離大于直線之間最短距離，由此進行判斷纖維是否相交；
難點二在于如何生成給定纖維體積含量的模型，若直接生成足夠纖維數(shù)量的模型，可能會導致纖維體積含量高或低，與預期纖維體積含量有誤差，在此采用不斷逼近的方法，即先生成由體積含量計算的纖維數(shù)量，由于纖維還需進行切割，因此此時的纖維體積含量肯定小于預期的纖維體積含量，接下來對此時纖維體積含量與預期纖維體積含量進行比較，若此時纖維體積含量與預期纖維體積含量之差乘試樣總體積大于一個纖維體積，則繼續(xù)生成纖維，若此時纖維體積含量與預期纖維體積含量之差乘試樣總體積不足以生成一根纖維，則停止生成。
展開 基于Abaqus的隨機纖維增強復合材料拉伸試樣建模插件2.0
復合材料研究是目前一個較為熱門的方向，復合材料主要分為：①纖維增強復合材料②夾層復合材料③顆粒復合材料④混雜復合材料；對于纖維增強復合材料來說，又分為連續(xù)增強復合材料、短纖維增強復合材料。短纖維增強復合材料，其優(yōu)點在于比強度高、比模量大、可設計性高、耐腐蝕、抗疲勞等，因此成為近年來的研究熱門。
有限元仿真是研究材料力學性能的重要手段，而仿真的第一步即為模型的建立。由于短纖維增強復合材料的有限元模型需要考慮隨機的纖維分布，如果纖維束數(shù)量較多，則手動在abaqus中直接建模工作量會過于繁重，因此本文介紹了一種基于abaqus的建模插件，可以成功快速實現(xiàn)隨機纖維增強復合材料拉伸試樣模型的建立。
一、新增功能
爭對此，可對隨機纖維增強復合材料拉伸試樣進行插件建模，在前一版本中，主要基于下面的標準試樣進行短纖維模型的建立。
插件版本1.0
但是實際中，不同研究人員所用拉伸試樣尺寸可能不一致，為解決這一問題，發(fā)布了復合材料拉伸試樣插件2.0版本了，在該版的插件中，我們將拉伸試樣的尺寸考慮在內(nèi)，將試樣尺寸變成為用戶自定義的參數(shù)。
展開 7/20 Ansys Mechanical 短纖維復合材料結構仿真解決方案
Ansys Mechanical 2021R1最主要的功能更新在于短纖維復合材料仿真流程的全面完善，短纖維復合材料結構在汽車零部件、電子消費產(chǎn)品等領域擁有極為廣泛的應用。Ansys Mechanical 2021R1填補了短纖維增強復合材料注塑成型和結構模擬之間溝壑，這一新的工作流程使短纖維增強塑料的模擬比以往任何時候都更容易和更快。 Ansys 2021 R1最新版本的Ansys Mechanical能夠模擬注塑塑料的真實和復雜細節(jié)，如纖維的方向和零件中存在的注塑應力。這將大大提高結構開發(fā)的準確性。
本直播將介紹在Ansys Mechanical中開展短纖維注塑結構強度、振動特性分析的流程、方法及Demo。
展開 
LS-DYNA人工智能多尺度計算技術及其在注塑成型復合材料領域的應用
這項人工智能多尺度計算技術已經(jīng)在LS-DYNA R14中正式發(fā)布，本文將介紹該技術的基本原理及其在工程領域的應用，主要包括：
短纖維增強復合材料在數(shù)值建模領域面臨的挑戰(zhàn)；
如何使用基于機器學習的LS-DYNA仿真方法應對這些挑戰(zhàn)，以深度材料網(wǎng)絡DMN技術為基礎，通過汽車與電子行業(yè)的示例來演示這種新型LS-DYNA多尺度仿真方法的性能；
小結
背景介紹
近年來短纖維增強復合材料在汽車行業(yè)和電子行業(yè)得到了廣泛使用，由于這種材料可以提供卓越的材料屬性，如高強度重量比，使用注塑成型技術具有復雜幾何結構的大尺寸復合材料部件，也能以較高生產(chǎn)率完成生產(chǎn)。然而注塑成型復合材料部件的材料屬性具有位置相關性。在每個位置上，復合材料的機械屬性是非線性且各向異性的，因此使用傳統(tǒng)的數(shù)值模型為短纖維增強復合材料部件建模極具挑戰(zhàn)性，這是由于傳統(tǒng)方法對于復合材料非線性分析的成本過高或不夠準確。
此外，對于短纖維復合材料這類非線性且各向異性的材料，材料參數(shù)的校準也始終是難題，針對具有某種特定纖維取向或纖維體積分數(shù)的復合材料所校準的材料常數(shù)，可能不適用于具有不同纖維取向或不同體積分數(shù)的復合材料。另一方面，多尺度模型能在較小尺度的物理規(guī)律和較大尺度的材料行為間建立關聯(lián)，以捕獲材料微觀結構對宏觀大尺度復合材料部件的影響，因此多尺度方法針對復合材料建模具有極大優(yōu)勢。
展開 LS-DYNA人工智能多尺度計算技術及其在注塑成型復合材料領域的應用
這項人工智能多尺度計算技術已經(jīng)在LS-DYNA R14中正式發(fā)布，本文將介紹該技術的基本原理及其在工程領域的應用，主要包括：
短纖維增強復合材料在數(shù)值建模領域面臨的挑戰(zhàn)；
如何使用基于機器學習的LS-DYNA仿真方法應對這些挑戰(zhàn)，以深度材料網(wǎng)絡DMN技術為基礎，通過汽車與電子行業(yè)的示例來演示這種新型LS-DYNA多尺度仿真方法的性能；
小結
背景介紹
近年來短纖維增強復合材料在汽車行業(yè)和電子行業(yè)得到了廣泛使用，由于這種材料可以提供卓越的材料屬性，如高強度重量比，使用注塑成型技術具有復雜幾何結構的大尺寸復合材料部件，也能以較高生產(chǎn)率完成生產(chǎn)。然而注塑成型復合材料部件的材料屬性具有位置相關性。在每個位置上，復合材料的機械屬性是非線性且各向異性的，因此使用傳統(tǒng)的數(shù)值模型為短纖維增強復合材料部件建模極具挑戰(zhàn)性，這是由于傳統(tǒng)方法對于復合材料非線性分析的成本過高或不夠準確。
此外，對于短纖維復合材料這類非線性且各向異性的材料，材料參數(shù)的校準也始終是難題，針對具有某種特定纖維取向或纖維體積分數(shù)的復合材料所校準的材料常數(shù)，可能不適用于具有不同纖維取向或不同體積分數(shù)的復合材料。另一方面，多尺度模型能在較小尺度的物理規(guī)律和較大尺度的材料行為間建立關聯(lián)，以捕獲材料微觀結構對宏觀大尺度復合材料部件的影響，因此多尺度方法針對復合材料建模具有極大優(yōu)勢。
展開 Mater》采用連續(xù)纖維3D打印熱塑性復合材料制造飛機艙門鉸鏈
碳纖維/PEKK熱塑性3D打印復合材料艙門鉸鏈
瑞士9T Labs開發(fā)了一種包含 3 步制造工藝流程的增材融合技術 ( Additive Fusion Technology，AFT) ，并使用該技術制造了碳纖維/PEKK增強的3D打印直升機艙門鉸鏈。另外，與傳統(tǒng)連續(xù)復合材料增材制造不同的是，3D打印制成的預成型體需要進一步放入模具中熱壓成型，以消除孔隙，得到輕質(zhì)高強的零件。由下圖可以看出，未經(jīng)熱壓處理的3D打印結構孔隙率高于10%，熱壓處理后可小于1%。
這種集成的工藝鏈能夠批量生產(chǎn)纖維體積分數(shù)>60%、空隙率<1%~2%的零件，并且浪費最少，成本比金屬更低。AFT 能夠實現(xiàn)復雜、精細的細節(jié)以及非常精確的纖維路徑控制，實現(xiàn)更強的定制設計，達到優(yōu)化承載能力、重量、制造速度和成本的目標。
加溫加壓前后的孔隙率對比
該項研究對空客EC135直升機艙門鉸鏈接頭進行了改進設計，原始方案為不銹鋼金屬結構，通過4個M8螺栓與飛機本體連接，該接頭承受的最大靜載荷為2.2kN。原金屬方案的承載能力為3kN。
金屬對照方案，不銹鋼零件，尺寸為 112 × 42 ×22.5mm
此前，瑞士和法國的一個聯(lián)合團隊采用短切碳纖維 (CF)/聚醚醚酮 (PEEK) 模壓工藝對該方案進行了設計，承載能力達到了4.2 kN。
短纖維增強復合材料模壓方案
當前9T Labs設計了3種連續(xù)碳纖維（CF）/聚醚酮酮 (PEKK) 3D打印方案，將單向帶劈分為1-2K 絲束與聚合物長絲一起打印。四個螺栓孔內(nèi)加入了金屬襯套。
展開 寧波材料所在短切碳纖維增強聚合物材料導熱性能方面取得進展
短切碳纖維是由碳纖維長絲經(jīng)纖維短切而成，相較于碳纖維長絲可以更均勻地分散在基體材料中。短切碳纖維不僅具有超高的機械強度、較低的密度及良好的熱穩(wěn)定性，而且是一種性能優(yōu)異的導熱材料，是提高聚合物材料導熱性能的理想導熱填料。但是，一維材料存在嚴重的導熱各向異性，如何充分控制短切碳纖維在聚合物基體材料中呈豎直取向，從而充分利用碳纖維的軸向高導熱性能得到具有優(yōu)異縱向熱導率的復合材料是研究的關鍵。常用的方法是通過對短切碳纖維施加外電場，使碳纖維沿豎直方向取向。但是這種方法需要較強的電場強度且工藝較為復雜，另外復合材料厚度受限于纖維的長度，較難得到厚度適宜的導熱復合材料。
鳳凰供應環(huán)氧樹脂https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48338.html
基于上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所表面事業(yè)部功能碳素材料團隊通過利用單軸溫度場下冰晶的定向引導作用，使得短切碳纖維沿豎直方向取向，得到了具有“微蘆葦叢”結構的碳纖維多孔泡沫，其制備流程和微觀結構如圖1所示。“微蘆葦叢”結構充分利用碳纖維的軸向高導熱增強聚合物材料的導熱性能。該方法制備的復合材料的熱導率高達6.04 Wm-1.K-1，并且得到的復合材料具有良好的柔順性，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚合物材料解決電子電氣設備的散熱問題。
相關工作已發(fā)表在化工領域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2019, 375, 121921），并獲得國家自然科學基金（51573201和U1709205）、浙江省公益技術應用研究計劃（2016C31026）和3315創(chuàng)新團隊等項目資助。
展開 沃爾沃汽車公司使用Digimat短纖維增強塑料的材料模型
對前端模塊準靜態(tài)和動態(tài)失效的預測
挑戰(zhàn)
隨著和Digimat經(jīng)銷商—Dynamore Nordic的深入合作，沃爾沃汽車公司研究了Digimat局部各向異性材料模型處理增強塑料的強大功能。該評估項目帶來了很多好處：
使用Digimat模型并考慮注塑過程的局部各向異性，準確預測增強塑料的響應
多種FEA分析的能力：靜態(tài)與動態(tài)失效
用一個獨特的多尺寸材料模型可和多種有限元求解器耦合使用的靈活性
對材料進行早期校準
解決辦法
? 通過試件有限的實驗數(shù)據(jù)校準，可以生成局部各向異性Digimat材料模型。注塑仿真使用Moldflow進行，將生成的纖維方向映射到結構網(wǎng)格。
? 最終的FE模型可以撲捉材料的各向異性特性，其依賴于當前結構網(wǎng)格的單元上的局部纖維方向。
結果/優(yōu)點
? 已經(jīng)證明動態(tài)和準靜態(tài)載荷類型的預測準確性。
? 已展示了與不同的隱式和顯式有限元求解器的可用性。
? 已根據(jù)有限可用的測試數(shù)據(jù)，擬合出Durethan BKV 30（PA6 GF30）的Digimat參數(shù)。
? 計算性能
*完全碰撞工況仿真（行人）
- 使用局部各向異性Digimat材料代替各向同性的碰撞有限元材料，可接受地增加了3-5%的計算成本。
*車輛靜態(tài)強度工況模擬
- 部件中使用局部各向異性Digimat代替各向同性的Abaqus模型，減少了計算成本。
結果與測試的有效性/相關性評估
選用沃爾沃新XC90模型前端模塊的試制版本進行這次評估。模型分別施加6種工況。
? 4個前端模塊
? 準靜態(tài)3點對稱和非對稱彎曲
? 動態(tài)對稱和非對稱跌落測試
? 2個整車：行人碰撞、靜態(tài)強度
? 僅從前端模塊模型上獲取的仿真結果已和實驗數(shù)據(jù)進行了比較。
展開 纖維增強復合材料切削參考資料
CFRP纖維方向對切削過程影響規(guī)律的仿真研究.pdf
abaqus纖維增強復合材料
纖維增強復合材料仿真時，基體所受的載荷怎么傳遞給纖維，是通過設置纖維與基體的接觸嗎？又或者是基體傳遞給界面cohesive單元再傳遞給纖維
連續(xù)纖維增強復合材料力學性能測試方法
基于ABAQUS對連續(xù)纖維增強復合材料進行仿真時，我們需要獲得纖維板的基礎力學性能參數(shù)，一般通過兩種途徑：（1）當不具備實驗測試條件時，可以查閱相關文獻資料，但是常常不能匹配我們使用的特定材料。（2）具備實驗測試條件，一般高校實驗室是配備相關儀器的，這時我們根據(jù)相關標準，制作標準樣條，測試纖維板的力學性能。
在ABAQUS中我們常用下圖中所示的面板設置纖維復合材料的彈性參數(shù)和強度參數(shù)。
纖維增強復合材料（FRP）在學校外墻設計中的應用
Chaudhuri表示，該團隊最大的困難之一是找到能夠提供最佳的設計靈活性、模塊化和成本的正確材料組合。在對幾種不同的復合材料和非復合材料進行試驗后，該團隊確定了一種玻璃纖維氈增強聚丙烯系統(tǒng)能夠最好地滿足其需求。每個面板僅重154磅。
該團隊創(chuàng)建了一個由鋼鐵制成的網(wǎng)格狀框架，以與FRP面板相匹配。鋼z型材被嵌在嵌板中，這樣它們就可以被固定在建筑物上。結構混凝土板突出于建筑物表面，以確保正確數(shù)量的面板可以安裝在立面的所有表面上。這使面板更容易從后面工作，并確保更好的采光。這些面板安裝在不同的方向上，以使立面具有隨機效果。建成后，立面環(huán)繞著27,000平方英尺的建筑物。
在視覺上，“建筑的墻壁和窗戶的灰色環(huán)氧背景將白色的FRP外墻展現(xiàn)出來，非常壯觀。制造、運輸、安裝、油漆和清潔，整個外立面系統(tǒng)花了四個月的時間才完成。這種戲劇性的表達和準確無誤的標志性效果正是我們所希望的。”Chaudhuri說。
展開 連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復合材料 應用現(xiàn)狀
此外，在飛行器服役過程中的沖擊載荷、高低溫環(huán)境、濕熱環(huán)境等均對復合材料的使用提出了較高的要求。連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復合材料（CF/PEEK，CF/PPS等），相比于傳統(tǒng)熱固性復合材料，具有更明顯的性能優(yōu)勢，滿足航空領域應用的多種需求。隨著國外基礎研究的深入和工業(yè)制造能力的提升，以及材料成本和制造成本的降低，近年來CF/PEEK熱塑性復合材料憑借優(yōu)異的性能開始在眾多領域開展應用研究。目前，處于研究階段的部件主要集中在航空、航天、船舶、石油以及高端民用制造領域。部分已經(jīng)應用和正在科研攻堅的部件如圖5所示，這些應用和研究進展表明連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復合材料，尤其是CF/PEEK熱塑性復合材料的廣闊前景。
圖5 CF/PEEK熱塑性復合材料已經(jīng)應用和正在研發(fā)的部件實例
（a）衛(wèi)星支架或蒙皮；（b）機翼前緣；（c）彈艙門；（d）發(fā)動機機匣和風扇葉片；（e）直升機旋翼槳轂和起降支承；（f）采油管道
國內(nèi)對于連續(xù)纖維增強高性能熱塑性復合材料制件的結構設計與應用尚處于起步階段，高性能熱塑性復合材料的上游材料即高性能熱塑性預浸料的批量化生產(chǎn)尚屬空白，追趕國外高性能熱塑性復合材料設計和制造技術，積累國內(nèi)熱塑性復合材料設計和制造經(jīng)驗仍是當前研究的重要內(nèi)容。
原文出處：
連續(xù)纖維增強高性能熱塑性樹脂基復合材料的制備與應用（點擊“題目”可鏈接全文）
肇 研，劉寒松
2020, 48(8): 49-61
doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000209
展開 碳纖維增強復合材料螺栓連接結構文件 ￥3
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