纖維增強材料
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纖維增強材料的視頻教程
纖維增強材料的實例教程
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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、力學性能好等優點，已成為傳統材料的重要替代品。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，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，可以導入專業注塑成型仿真軟件的相應結果，為后續分析提供輸入條件。
展開 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 來源：SAMPE
作者：姚志佳
一、概述
連續纖維增強熱塑性復合材料由于其輕質、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業，航空航天，軍工，電子等諸多領域已經廣泛的應用。連續纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）是以連續纖維作為增強材料，以熱塑性樹脂為基體，通過將熱塑性樹脂熔融浸漬的工藝制造的高強度、高剛性、高韌性的復合材料。可選用的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、植物纖維、以及玄武巖纖維。可以選用的樹脂基體有PP、PE、PA6、PA66、PC、PET、TPU、PPS、PEEK等。根據產品性能及成型要求的不同，增強材料的形態可以是單向的，也可以是織物。
盡管短纖維和長纖維熱塑性復合材料占整個熱塑性復合材料市場的主導地位。但由于連續纖維獨特的特點，近年來國際上連續纖維增強熱塑性復合材料市場仍然保持著快速增長，國外行業巨頭也正將連續纖維增強的熱塑性復合材料及相關企業作為重點開發方向和并購的首選標的。其中朗盛收購了德國Bond-Laminates、三菱收購QPC、東麗公司收購荷蘭的Tencate；而韓華、巴斯夫、科思創、英力士等化工巨頭也都推出了相應的連續纖維增強熱塑性復合材料。
目前，掌握連續纖維增強熱塑性復合材料技術的企業主要集中在德國、荷蘭、英國、美國等少數歐美國家。我國有部分企業掌握了一部分連續纖維增強熱塑性復合材料的技術，但是在連續纖維增強特種工程塑料復合材料方面，我國與國外依舊存在非常大的差距。
展開 全球領先的專業級3D打印設備提供商 Raise3D復志科技，正式發布全新的《纖維增加熱塑性復合材料3D打印白皮書》。
該白皮書分為四個部分：
- 纖維增加熱塑性復合材料（FRP）的特性
- 通過3D打印方式加工該材料得到的成品和應用特點
- 纖維增加熱塑性復合材料（FRP）在工業上的應用
- Raise3D公司針對該材料開發的解決方案
纖維增加熱塑性復合材料的特性
纖維增強熱塑性塑料是一種新興的工業材料，它通常是通過在熱塑性塑料中添加碳纖維、玻璃纖維或杜邦Kevlar?等短切強化纖維制作而成。被嵌入的強化纖維為材料帶來了新的優異特性，如高強、輕質、導電、耐腐蝕、高吸波性。這些特性幫助原有的塑料產品能更進一步，滿足國防、航空航天等高端裝備制造業的多種需求。
纖維增加熱塑性復合材料3D打印
隨著3D打印技術的快速發展，如 ABS、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）和PA（尼龍）等聚合物都可以添加強化纖維制成纖維增強型線材，并利用熔融長絲制造（FFF）技術，快速地制作出強度高、質量輕、且纖維分布均勻的零件。
目前，在3D打印纖維增強復合耗材中，碳纖維和玻璃纖維是兩種備受歡迎的纖維種類。與純聚合物以及金屬相比，它們都具有出色的強度重量比。例如，由碳纖維增強樹脂制成的自行車車架擁有與鋼制成的車架相同的強度和剛度，但重量卻只有鋼的1/5。
展開 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，將試樣尺寸變成為用戶自定義的參數。
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ABAQUS 纖維復合材料層合板鉆孔，采用puck失效準則，內附CAE, inp, ODB, VUMAT子程序
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例如，單向纖維增強材料通常采用[45/0/-45/90]NS的堆疊順序，而編織織物纖維增強材料則推薦[(+45/-45)/(0/90)]NS。
2. 沖擊引入
標準落錘沖擊采用質量為5.5±0.25千克、沖頭直徑為16±0.1毫米的半球形沖擊器。沖擊能量通常根據試樣厚度進行歸一化計算，標準指定沖擊能量與試樣厚度之比為6.7 J/mm。
玻璃纖維增強材料與未增強材料的收縮特性存在本質差異。未增強材料在流動方向的收縮大于垂直方向，這是由定向分子鏈收縮導致的；而玻纖增強材料則相反，流動方向的收縮小于垂直方向，這是受定向玻纖影響的結果。因此，在原料選用方面，應優先考慮低翹曲的原材料，特別要關注原材料的收縮率、流動性、玻纖含量及耐溫性能對產品翹曲的影響。
；</p><p>? 系統量化了常見簡化假設帶來的誤差，并給出適用邊界；</p><p>? 提出并討論“離散數據求導→噪聲放大”的關鍵工程問題，給出平滑處理的敏感性分析</p><p>? 用多來源數據做“交叉驗證”：實驗/有限元/解析解三類數據都能復現原始 bond–slip</p><p>? 指出并處理“溫度變化后、加載前的初始熱不相容滑移”問題</p><p><strong>摘要</strong>：外貼纖維增強復合材料
在此背景下，以連續纖維增強熱塑性復合材料（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic， CFRTP） 為代表的輕量化高性能材料方案應運而生，正引領一場從“金屬護甲”到“復合材料鎧甲”的靜默革命。
圖3 底盤全方位保護5件套
在這場材料革新中，我國材料科技企業已走在前列。
作為此次共同合作價值的初步展示，Ansys和Schr?dinger針對纖維增強復合材料的預測性能開發了一款解決方案，廣泛應用于航空航天與國防、汽車以及能源公司。該研究展示了聚合物樹脂在不同條件下的預測性材料篩選和選擇。樹脂屬性通過分層多尺度建模框架，向上傳遞至鋪層層級屬性，同時進一步了解工藝引起的材料性能波動，以及關鍵的結構與屬性關系。
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Abaqus纖維復合材料層合板多次落錘沖擊仿真模型!采用多分析步的方式實現！
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內插0厚度cohesive單元以模擬分層
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復合材料設計與制造一體化仿真4個月前
為了普及復合材料成形工藝仿真分析技術，復合材料力學公眾平臺將于2026年1月24 日-1月25日在陜西西安舉辦為期兩天的第二期PAM-COMPOSITE復合材料成型工藝 仿真培訓班，此期培訓主要通過“理論+實操”講解基于PAM-COMPOSITE軟件對連續 纖維增強復合材料制件的成型工藝仿真， 包括纖維干布或預浸料的模壓成型仿真， 液 態模塑RTM成型仿真，熱固性樹脂的固化變形仿真以及片狀模塑料（SMC
