纖維增強(qiáng)材料的案例
短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)仿真技術(shù)
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作者：陳科夫 上海安世亞太結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程師
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編者按
作者詳細(xì)分析了短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)際意義，并具體闡述了Mechanical 2021R1中實(shí)現(xiàn)短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)分析過程。
什么是短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有制造快速、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為傳統(tǒng)材料的重要替代品。目前被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天等工程領(lǐng)域。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義。
針對(duì)短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀隨機(jī)分布的特征，基于RVE的有限元法，可以很好的對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)特性進(jìn)行仿真，并且能夠滿足復(fù)合材料設(shè)計(jì)要求。
如何實(shí)現(xiàn)力學(xué)分析
ANSYS Mechanical 2021R1短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)特性仿真功能得到了增強(qiáng)，該功能能夠模擬注塑材料的真實(shí)和復(fù)雜細(xì)節(jié)，如纖維的方向和零件中存在的注塑應(yīng)力等。下文主要闡述在Mechanical 2021R1中如何實(shí)現(xiàn)短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)分析。
總體上需要建立圖1的項(xiàng)目流程并分析一個(gè)短纖維復(fù)合材料注塑而成的簡(jiǎn)單模型。其中Material Designer模塊主要計(jì)算短纖維復(fù)合材料各向異性彈塑性力學(xué)性能。Injection Molding Data 為2021R1版本的新增模塊，可以導(dǎo)入專業(yè)注塑成型仿真軟件的相應(yīng)結(jié)果，為后續(xù)分析提供輸入條件。
展開 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料工藝及應(yīng)用
來源：SAMPE
作者：姚志佳
一、概述
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業(yè)，航空航天，軍工，電子等諸多領(lǐng)域已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）是以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)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(qiáng)度、高剛性、高韌性的復(fù)合材料。可選用的增強(qiáng)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(jù)產(chǎn)品性能及成型要求的不同，增強(qiáng)材料的形態(tài)可以是單向的，也可以是織物。
盡管短纖維和長(zhǎng)纖維熱塑性復(fù)合材料占整個(gè)熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。但由于連續(xù)纖維獨(dú)特的特點(diǎn)，近年來國(guó)際上連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)仍然保持著快速增長(zhǎng)，國(guó)外行業(yè)巨頭也正將連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料及相關(guān)企業(yè)作為重點(diǎn)開發(fā)方向和并購(gòu)的首選標(biāo)的。其中朗盛收購(gòu)了德國(guó)Bond-Laminates、三菱收購(gòu)QPC、東麗公司收購(gòu)荷蘭的Tencate；而韓華、巴斯夫、科思創(chuàng)、英力士等化工巨頭也都推出了相應(yīng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。
目前，掌握連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的企業(yè)主要集中在德國(guó)、荷蘭、英國(guó)、美國(guó)等少數(shù)歐美國(guó)家。我國(guó)有部分企業(yè)掌握了一部分連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的技術(shù)，但是在連續(xù)纖維增強(qiáng)特種工程塑料復(fù)合材料方面，我國(guó)與國(guó)外依舊存在非常大的差距。
展開 基于Abaqus的隨機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣建模插件
復(fù)合材料研究是目前一個(gè)較為熱門的方向，復(fù)合材料主要分為：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料②夾層復(fù)合材料③顆粒復(fù)合材料④混雜復(fù)合材料；對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說，又分為連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)在于比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)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(xué)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(qiáng)復(fù)合材料的有限元模型需要考慮隨機(jī)的纖維分布，如果纖維束數(shù)量較多，則手動(dòng)在abaqus中直接建模工作量會(huì)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(shí)現(xiàn)隨機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣模型的建立。
接下來對(duì)隨機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣建模插件進(jìn)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(duì)隨機(jī)生成的纖維是否與已經(jīng)生成的纖維進(jìn)行相交判斷，有以下兩個(gè)難點(diǎn)：
難點(diǎn)一在于纖維是有限長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型即為線段之間的最小距離大于二倍纖維半徑，因此應(yīng)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(jìn)行判斷纖維是否相交；
難點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致纖維體積含量高或低，與預(yù)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(jì)算的纖維數(shù)量，由于纖維還需進(jìn)行切割，因此此時(shí)的纖維體積含量肯定小于預(yù)期的纖維體積含量，接下來對(duì)此時(shí)纖維體積含量與預(yù)期纖維體積含量進(jìn)行比較，若此時(shí)纖維體積含量與預(yù)期纖維體積含量之差乘試樣總體積大于一個(gè)纖維體積，則繼續(xù)生成纖維，若此時(shí)纖維體積含量與預(yù)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 Raise3D復(fù)志科技發(fā)布纖維增強(qiáng)材料3D打印白皮書
全球領(lǐng)先的專業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備提供商 Raise3D復(fù)志科技，正式發(fā)布全新的《纖維增加熱塑性復(fù)合材料3D打印白皮書》。
該白皮書分為四個(gè)部分：
- 纖維增加熱塑性復(fù)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(yīng)用特點(diǎn)
- 纖維增加熱塑性復(fù)合材料（FRP）在工業(yè)上的應(yīng)用
- Raise3D公司針對(duì)該材料開發(fā)的解決方案
纖維增加熱塑性復(fù)合材料的特性
纖維增強(qiáng)熱塑性塑料是一種新興的工業(yè)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(qiáng)化纖維制作而成。被嵌入的強(qiáng)化纖維為材料帶來了新的優(yōu)異特性，如高強(qiáng)、輕質(zhì)、導(dǎo)電、耐腐蝕、高吸波性。這些特性幫助原有的塑料產(chǎn)品能更進(jìn)一步，滿足國(guó)防、航空航天等高端裝備制造業(yè)的多種需求。
纖維增加熱塑性復(fù)合材料3D打印
隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)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(qiáng)化纖維制成纖維增強(qiáng)型線材，并利用熔融長(zhǎng)絲制造（FFF）技術(shù)，快速地制作出強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、且纖維分布均勻的零件。
目前，在3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)度重量比。例如，由碳纖維增強(qiáng)樹脂制成的自行車車架擁有與鋼制成的車架相同的強(qiáng)度和剛度，但重量卻只有鋼的1/5。
展開 
基于Abaqus的隨機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣建模插件2.0
復(fù)合材料研究是目前一個(gè)較為熱門的方向，復(fù)合材料主要分為：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料②夾層復(fù)合材料③顆粒復(fù)合材料④混雜復(fù)合材料；對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說，又分為連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)在于比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)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(xué)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(qiáng)復(fù)合材料的有限元模型需要考慮隨機(jī)的纖維分布，如果纖維束數(shù)量較多，則手動(dòng)在abaqus中直接建模工作量會(huì)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(shí)現(xiàn)隨機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣模型的建立。
一、新增功能
爭(zhēng)對(duì)此，可對(duì)隨機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣進(jìn)行插件建模，在前一版本中，主要基于下面的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行短纖維模型的建立。
插件版本1.0
但是實(shí)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(fù)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 驗(yàn)證纖維增強(qiáng)材料3D打印技術(shù)制造輕量化零件的可行性
KTM 科技致力于新工藝的認(rèn)證和基準(zhǔn)測(cè)試，他們開展的最新一項(xiàng)3D打印研究是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與3D打印技術(shù)在制造輕量化零部件領(lǐng)域的應(yīng)用。
KTM 科技對(duì)幾種不同碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行了研究，根據(jù)產(chǎn)品來設(shè)置特定的3D打印參數(shù)，評(píng)估合理的后處理方法。KTM 科技最新的一個(gè)研究案例是3D打印輕量化摩托車制動(dòng)桿，在研究過程中，團(tuán)隊(duì)使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行了制動(dòng)桿的重新設(shè)計(jì)，并使用連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）復(fù)合材料以及3D打印技術(shù)制造制動(dòng)桿。
替代金屬
KTM 科技的主要工作是開展復(fù)合材料的應(yīng)用，該公司起源于2007年，當(dāng)時(shí)KTM Sportmotorcycle 決定實(shí)現(xiàn) CFRP跑車的小批量生產(chǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，KTM 組建了一支經(jīng)驗(yàn)豐富的輕型和碳復(fù)合材料工程師團(tuán)隊(duì)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，此后通過建立復(fù)合實(shí)驗(yàn)室以及內(nèi)部3D打印/增材制造系統(tǒng)的投入使用，KTM 科技進(jìn)一步增強(qiáng)了在復(fù)合材料應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。
KTM 集團(tuán)安裝了多種3D打印設(shè)備，包括選區(qū)激光熔融、選區(qū)激光燒結(jié)、多射流熔融，以及熱熔長(zhǎng)絲擠出、光固化設(shè)備。
復(fù)合材料技術(shù)與3D打印/增材制造工藝，使KTM 能夠開發(fā)一些具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的聚合物零件，這些零件可承受標(biāo)準(zhǔn)載荷情況。KTM 的技術(shù)解決方案是使用負(fù)載路徑定向連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料，從而使3D打印復(fù)合材料零件實(shí)現(xiàn)裝載情況。
KTM 科技通過3D打印制動(dòng)桿的研究，驗(yàn)證了3D打印和纖維增強(qiáng)材料在輕量化部件制造中的潛力。KTM 開發(fā)的3D打印摩托車長(zhǎng)形制動(dòng)桿，與ISO 8710標(biāo)準(zhǔn)的鋁合金（AlSi10Mg ）3D打印制動(dòng)桿相比，重量進(jìn)一步減輕了40％。
展開 中科大俞書宏NSR：受生物啟發(fā)的微納米尺度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
【內(nèi)容提要】
《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》在線發(fā)表了中科大俞書宏教授課題組的最新研究成果：
Biomimetic Twisted Plywood Structural materials
https://doi.org/10.1093/nsr/nwy080
該文章提出一種自下而上的基于刷涂和層壓相結(jié)合的高效組裝策略，利用生物相容性的微納米纖維和天然高分子作為構(gòu)筑組分，首次成功制備出具有仿生螺旋膠合板結(jié)構(gòu)的三維體型人工結(jié)構(gòu)材料。
神奇的自然界經(jīng)過上億年的演化，孕育出千奇百態(tài)的生物材料，它們或作為生物體骨架，或作為防御或進(jìn)攻武器。這些自然結(jié)構(gòu)材料雖然來源于相對(duì)單一和脆弱的天然組分，但憑借其高度有序的多尺度微納結(jié)構(gòu)和精巧的界面設(shè)計(jì)，往往表現(xiàn)出超乎尋常的機(jī)械性能，因此，一直都是材料科學(xué)領(lǐng)域研究人員積極探索和模仿的對(duì)象。
通過微觀結(jié)構(gòu)觀察可以發(fā)現(xiàn)，包括魚鱗、蟹鉗和骨骼等在內(nèi)的許多生物材料均具有由微納米纖維多級(jí)次高度有序排布的螺旋膠合板結(jié)構(gòu)。它們是結(jié)構(gòu)精密的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并且往往具有工程結(jié)構(gòu)材料迫切需要卻難以獲得的優(yōu)異損傷容忍能力。因此，以微納米纖維為結(jié)構(gòu)單元，全面模仿此類多尺度分級(jí)自然結(jié)構(gòu)，將有望制備出可取代現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)材料的高性能新型人工結(jié)構(gòu)材料。然而，由于當(dāng)前缺乏納米材料組裝技術(shù)特別是一維微納米結(jié)構(gòu)單元宏觀有序的組裝手段，模仿制備此類自然纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
展開 日本教授開發(fā)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微波分離回收工藝
根據(jù)日本產(chǎn)經(jīng)新聞社6月19日?qǐng)?bào)道，日本崇城大學(xué)工學(xué)部碳納米學(xué)科副教授池永和敏領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微波分解技術(shù)。該技術(shù)利用微波對(duì)纖維和樹脂進(jìn)行分離，為FRP廢棄物的回收再利用打開了全新的思路。自2016年日本熊本地震過后，受災(zāi)地區(qū)有大量FRP制品遭到破壞，該技術(shù)的開發(fā)有望給予這些制品新的生命。
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是將玻璃纖維等纖維材料與樹脂結(jié)合固化后形成的輕質(zhì)高強(qiáng)新材料，便于設(shè)計(jì)加工，用途廣泛，目前在小型船舶、汽車、軌道車輛、浴缸、凈化槽、安全帽等產(chǎn)品上有所應(yīng)用。
有關(guān)FRP材料的分解、回收和再生一直是研究人員關(guān)注的課題。人們嘗試用化學(xué)藥劑對(duì)其進(jìn)行分解，但僅局限于聚丙烯、聚乙烯等熱塑性材料。對(duì)于應(yīng)用范圍更廣的熱固性復(fù)合材料卻沒有形成一套完備的回收再生技術(shù)，因此只能以破壞填埋的方式進(jìn)行處理。
池永和敏教授常年來專注于高分子化學(xué)領(lǐng)域塑料回收技術(shù)的研發(fā)工作，擁有微波加熱分解PET材料的專利技術(shù)。他表示FRP和PET材料在化學(xué)構(gòu)造上多有相似之處，因此亦可通過微波加熱的方式，破壞纖維與樹脂之間通過固化形成的分子聯(lián)結(jié)，獲得分離之后的纖維和液態(tài)樹脂。隨后，通過加入特殊的醇類物質(zhì)，可以重新獲得所需的FRP制品。
2016年日本熊本地震導(dǎo)致4萬戶民宅受損，3萬臺(tái)浴缸廢棄，產(chǎn)生了約600噸的FRP廢棄物。自2016年6月起，池永教授從受災(zāi)地區(qū)回收浴缸用于研究，并受到了當(dāng)?shù)厣鐖F(tuán)的幫助。但是出于增加強(qiáng)度的考慮，這些浴缸在生產(chǎn)時(shí)都添加了碳酸鈣粉末，這給FRP的回收工作帶來不小的困難。即便采用了現(xiàn)有的離心機(jī)也無法將這些碳酸鈣粉末分離出去。池永教授呼吁有志企業(yè)參與到他的研究項(xiàng)目中去，幫助提升回收效率、降低成本，并建設(shè)實(shí)驗(yàn)工廠。
碳纖維https://www.hongyantu.com/index.php?r=good&cd=14&cd2=1402
展開 赫氏復(fù)材將推出多種碳纖維增強(qiáng)材料
赫氏復(fù)材將在巴黎JEC復(fù)合材料展向觀眾全面展現(xiàn)其碳纖維和復(fù)合材料產(chǎn)品系列， 包括碳纖維增強(qiáng)材、多軸向織物、預(yù)浸料、膠膜、蜂窩、工程蜂窩、模壓材料和模具材料等。對(duì)于航空市場(chǎng)， 赫氏將推介HiTape 碳纖維增強(qiáng)材料，其可以通過自動(dòng)鋪貼形成預(yù)成型件，然后采用非熱壓罐的樹脂注入工藝成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。展示的航空部件包括了A320的LEAP 1A 發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙罩，所用原材料包括赫氏的碳纖維，結(jié)構(gòu)預(yù)浸料，干的織物和RTM6-2樹脂。赫氏還陳列了一個(gè)工程蜂窩部件，其體現(xiàn)了赫氏將普通的蜂窩加工成高精度的工程蜂窩，并用于制造高質(zhì)量部件的能力，為滿足市場(chǎng)的這種需求，赫氏還在摩洛哥的卡薩布蘭卡投資建立了新的工程蜂窩工廠，并在今年投入運(yùn)營(yíng)。
除了航空市場(chǎng)，赫氏還將聚焦汽車市場(chǎng)。 St Jean 工業(yè)采用赫氏的M77預(yù)浸料來增加原來鋁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的剛性，其剛性比純鋁的產(chǎn)品增加了26%，而沒有增加產(chǎn)品的尺寸。 鋁/碳纖維復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)可以在現(xiàn)有的空間內(nèi)優(yōu)化, 造福于汽車行業(yè). 借助于赫氏的FEM計(jì)算體系，通過優(yōu)化載荷分布，碳纖維復(fù)合材料可以提高部件的最大破壞強(qiáng)度。赫氏的材料可以在一分鐘內(nèi)生產(chǎn)預(yù)浸料預(yù)成形體，采用赫氏的Redux677膠膜可以將預(yù)浸料和鋁材料膠接在一起，這種快速固化的膠膜適用于批量生產(chǎn)的金屬/碳纖維復(fù)合材料的膠接。由于Redux677 是專門為自動(dòng)化的模壓工藝設(shè)計(jì)的，和用于汽車結(jié)構(gòu)的快速固化的赫氏M77預(yù)浸料兼容，適用于M77預(yù)浸料和金屬，熱固性材料以及熱塑性材料的膠接。
赫氏還將推介商品名為Polyspeed 的碳纖維拉擠產(chǎn)品，這種新技術(shù)針對(duì)預(yù)固化的較厚的碳纖維部件應(yīng)用。為風(fēng)力發(fā)電葉片以及其它需要承載的工業(yè)應(yīng)用提供較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。Polyspeed嚴(yán)格控制纖維和樹脂含量，在質(zhì)量、重量和機(jī)械性能間達(dá)到優(yōu)化；適用于非常大的部件而不受長(zhǎng)度的限制。
展開 赫氏復(fù)材將推出多種碳纖維增強(qiáng)材料
赫氏復(fù)材將在巴黎JEC復(fù)合材料展向觀眾全面展現(xiàn)其碳纖維和復(fù)合材料產(chǎn)品系列， 包括碳纖維增強(qiáng)材、多軸向織物、預(yù)浸料、膠膜、蜂窩、工程蜂窩、模壓材料和模具材料等。對(duì)于航空市場(chǎng)， 赫氏將推介HiTape 碳纖維增強(qiáng)材料，其可以通過自動(dòng)鋪貼形成預(yù)成型件，然后采用非熱壓罐的樹脂注入工藝成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。展示的航空部件包括了A320的LEAP 1A 發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙罩，所用原材料包括赫氏的碳纖維，結(jié)構(gòu)預(yù)浸料，干的織物和RTM6-2樹脂。赫氏還陳列了一個(gè)工程蜂窩部件，其體現(xiàn)了赫氏將普通的蜂窩加工成高精度的工程蜂窩，并用于制造高質(zhì)量部件的能力，為滿足市場(chǎng)的這種需求，赫氏還在摩洛哥的卡薩布蘭卡投資建立了新的工程蜂窩工廠，并在今年投入運(yùn)營(yíng)。
除了航空市場(chǎng)，赫氏還將聚焦汽車市場(chǎng)。 St Jean 工業(yè)采用赫氏的M77預(yù)浸料來增加原來鋁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的剛性，其剛性比純鋁的產(chǎn)品增加了26%，而沒有增加產(chǎn)品的尺寸。 鋁/碳纖維復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)可以在現(xiàn)有的空間內(nèi)優(yōu)化, 造福于汽車行業(yè). 借助于赫氏的FEM計(jì)算體系，通過優(yōu)化載荷分布，碳纖維復(fù)合材料可以提高部件的最大破壞強(qiáng)度。赫氏的材料可以在一分鐘內(nèi)生產(chǎn)預(yù)浸料預(yù)成形體，采用赫氏的Redux677膠膜可以將預(yù)浸料和鋁材料膠接在一起，這種快速固化的膠膜適用于批量生產(chǎn)的金屬/碳纖維復(fù)合材料的膠接。由于Redux677 是專門為自動(dòng)化的模壓工藝設(shè)計(jì)的，和用于汽車結(jié)構(gòu)的快速固化的赫氏M77預(yù)浸料兼容，適用于M77預(yù)浸料和金屬，熱固性材料以及熱塑性材料的膠接。
赫氏還將推介商品名為Polyspeed 的碳纖維拉擠產(chǎn)品，這種新技術(shù)針對(duì)預(yù)固化的較厚的碳纖維部件應(yīng)用。為風(fēng)力發(fā)電葉片以及其它需要承載的工業(yè)應(yīng)用提供較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。Polyspeed嚴(yán)格控制纖維和樹脂含量，在質(zhì)量、重量和機(jī)械性能間達(dá)到優(yōu)化；適用于非常大的部件而不受長(zhǎng)度的限制。
展開 ABAQUS任意單元表面加入膜單元或加入復(fù)合材料纖維層
復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合， 使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。
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本期是教大家如何在ABAQUS有限元模型中在任意實(shí)體單元表面加入殼單元作為纖維增強(qiáng)材料來模擬復(fù)合材料：
孔眼壁上的膜單元來模擬壁面加固材料
內(nèi)加入纖維增強(qiáng)材料
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纖維增強(qiáng)聚合物材料在建筑業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)建筑材料相比，纖維增強(qiáng)聚合物具有許多優(yōu)勢(shì)。纖維增強(qiáng)聚合物在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域日趨普及。生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物管比較容易，安裝也比較便捷。 與傳統(tǒng)建筑材料如鋼鐵和鋼筋混凝土相比，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括：重量輕、可抵抗惡劣環(huán)境損害、壽命長(zhǎng)、自動(dòng)裝配、安裝快捷。纖維增強(qiáng)聚合物在建筑中的應(yīng)用愈來愈廣泛。許多示范工程中已經(jīng)使用纖維增強(qiáng)聚合物來建造橋梁和住宅建筑物。與玻璃鋼其它加工技術(shù)相比，拉擠成型工藝速度較快，適于大量生產(chǎn)流程。最重要的是， 拉擠成型玻璃鋼管易于安裝，可組成土木工程中的結(jié)構(gòu)次級(jí)系統(tǒng)。玻璃鋼中最常用的兩種增強(qiáng)材料是碳纖維和玻璃纖維。碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料比玻璃纖維增強(qiáng)聚合物的硬度要高，但碳纖維復(fù)合材料價(jià)格更貴一些。建筑業(yè)中選用玻璃鋼時(shí)，材料屬性和成本都要考慮進(jìn)去。管組件中，玻璃纖維和碳纖維兩種纖維同時(shí)使用比較有利，可滿足硬度需求，而單獨(dú)使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物則無法滿足硬度需求。
展開 abaqus纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料仿真時(shí)，基體所受的載荷怎么傳遞給纖維，是通過設(shè)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
基于Abaqus的vumat進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料漸進(jìn)損傷與失效仿真
筆名：復(fù)材失效仿真
關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，航空航天，漸近損傷模型，有限元仿真，沖擊
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)漸進(jìn)損傷研究
復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。當(dāng)復(fù)合材料具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如連接結(jié)構(gòu)）或承受復(fù)雜工況（如沖擊載荷）時(shí)，層內(nèi)損傷的模式包括多種損傷模式纖維/基體脫粘、基體開裂和纖維斷裂，從而引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)漸進(jìn)失效。為了模擬這些現(xiàn)象，漸進(jìn)損傷模型（PDM）在過去二十年中常被使用并已被證明是一種有效的方法。PDM通過材料退化建模模擬損傷開始后的材料性能衰減，為預(yù)測(cè)復(fù)合材料的準(zhǔn)脆性破壞過程提供了一個(gè)準(zhǔn)確的框架。PDM軟化規(guī)律的形式由材料裂縫萌生和擴(kuò)展背后的物理機(jī)制決定，并影響初始損傷后的結(jié)構(gòu)承載能力。
連接結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)，其失效涉及復(fù)雜損傷機(jī)制。對(duì)于復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)，開發(fā)三維漸進(jìn)損傷模型模擬多搭接結(jié)構(gòu)的失效，預(yù)測(cè)的基體失效、分層擴(kuò)展失效模式可以與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)。對(duì)于復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)，基于損傷演化模型研究了單搭接螺栓復(fù)合材料過盈配合接頭的承載行為，數(shù)值模型很好地捕捉了復(fù)材膠接平面微觀形態(tài)中的纖維斷裂和基體裂紋，表明漸進(jìn)損傷模型在應(yīng)用中具有較好精確性。
復(fù)合材料在服役過程中有可能經(jīng)受外物沖擊而產(chǎn)生可見或不可見損傷。利用漸進(jìn)損傷模型對(duì)復(fù)合材料層合板的沖擊損傷傳播過程進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)加載過程中，不同損傷模式在層間的非均勻傳播特征。基于漸進(jìn)損傷模型建立層合板的損傷確定、逐步演化和本構(gòu)關(guān)系等損傷分析過程，能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)復(fù)合材料受單次或多次的沖擊行為。
建立漸進(jìn)損傷本構(gòu)模型
建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維有限元模型，采用實(shí)體單元和內(nèi)聚力cohesive單元分布模擬復(fù)合材料層內(nèi)和層間損傷。
展開 美國(guó)陸軍表征連續(xù)3D打印碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零件
美國(guó)密歇根州陸軍坦克、汽車研究開發(fā)和工程中心（TARDEC）的三位研究人員最近發(fā)表了一項(xiàng)名為“通過熔融長(zhǎng)絲制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表征”的研究，該研究用于連續(xù)碳在Mark Two 3D打印機(jī)上打印纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料部件。
研究人員表示：“目前的工作重點(diǎn)是通過連續(xù)長(zhǎng)絲制造（CFF）連續(xù)纖維增強(qiáng)樣品的拉伸性能。在有和沒有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的情況下，在多個(gè)方向上測(cè)試樣品。當(dāng)將0碳纖維增強(qiáng)試樣與沒有連續(xù)增強(qiáng)的試樣進(jìn)行比較時(shí)，平均屈服強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當(dāng)將具有90取向連續(xù)增強(qiáng)的試樣的結(jié)果與0試樣進(jìn)行比較時(shí)，屈服強(qiáng)度下降60％，拉伸強(qiáng)度下降62％，彈性模量下降52％。這些結(jié)果表明，當(dāng)垂直于纖維取向施加載荷時(shí)，機(jī)械性能明顯降低。通過垂直豎立在印刷床上的印刷樣品測(cè)試相鄰層之間的粘合性。這些樣本的所有樣本的強(qiáng)度最低。作者建議按照ASTM D3039-17使用帶有粘接片的矩形樣品進(jìn)行測(cè)試，以減少樣本遇到的纖維排列問題。“
由于大多數(shù)3D打印部件是自下而上構(gòu)建的，因此平面外材料特性比平面內(nèi)部特性要弱。當(dāng)連續(xù)纖維發(fā)生面內(nèi)印刷時(shí)，完成的部件可以具有增加的剛度和面內(nèi)強(qiáng)度，但是研究人員并不清楚連續(xù)纖維增強(qiáng)件如何影響制造部件的機(jī)械各向異性。
“為了讓設(shè)計(jì)工程師在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用連續(xù)纖維增強(qiáng)AM部件，他們將需要這些材料的三維機(jī)械性能，”研究人員解釋說。
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