清華大學(xué)姚學(xué)鋒教授團(tuán)隊(duì)：3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料宏細(xì)微觀多尺度分析(2)
時(shí)間：2021-12-30 09:43 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整體CFRTPCs試件的力學(xué)分析，需要建立隨機(jī)纖維代表性體積單元，如圖4所示�；谝阎腁BS熱塑性樹脂和T300碳纖維的力學(xué)性能，獲得樹脂與纖維的混合物的平均物理參量。
圖4 碳纖維體積分?jǐn)?shù)為30%的纖維隨機(jī)分布的代表性體積單元
對(duì)3D打印得到的CFRTPCs進(jìn)行力學(xué)分析，需要將獲得的CFRTPCs試件的形貌輸出并導(dǎo)入固體分析軟件中。對(duì)試件的兩端設(shè)置邊界條件，令其一端固定，另一端沿著Z軸正方向以2mm/min的速度拉伸。本文描述的打印流程和材料參數(shù)與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)相同，將兩種方法得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比，結(jié)果如下：實(shí)驗(yàn)中得到的3D打印的CFRTPCs的模量和強(qiáng)度分別為62.5GPa和986MPa，采用本文有限元方法獲得的試件模量與強(qiáng)度分別為64.72GPa和1001.17MPa，其對(duì)應(yīng)的誤差分別為3.55%和1.54%。結(jié)果表明本文提出的模擬手段可以對(duì)3D打印CFRTPCs的模量和強(qiáng)度給出很好的預(yù)測(cè)。
將CFRTPCs中心位置的主承力區(qū)域放大，臨近失效時(shí)沿著纖維方向及垂直于纖維方向的損傷分布由圖5給出。試件的損傷首先發(fā)生在兩個(gè)珠粒之間的區(qū)域。這是由于在3D打印規(guī)則的橢圓形過程中，在孔洞缺陷附近將發(fā)生應(yīng)力集中，造成試件首先在該區(qū)域發(fā)生損傷。隨后，若CFRTPCs繼續(xù)受力，由于復(fù)合材料不同方向的強(qiáng)度特征，試件會(huì)沿著纖維方向開裂。
圖5 宏觀CFRTPCs的損傷分布
該論文以Multi-scale analysis for 3D printed continuous fiber reinforced thermoplastic composites為題發(fā)表在《Composites Science and Technology》上。在清華大學(xué)姚學(xué)鋒教授的指導(dǎo)下，重慶大學(xué)弘深青年教師付宇彤為本文的第一作者。通訊作者清華大學(xué)姚學(xué)鋒教授目前主要從事先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、航空橡膠密封結(jié)構(gòu)、飛機(jī)增升裝置、高通量設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)與無損檢測(cè)等研究領(lǐng)域的科學(xué)研究工作。參與大型飛機(jī)C919、C929及支線客機(jī)ARJ21的重大科研攻關(guān)項(xiàng)目。兼任中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員、《Composite Structures》《Composites Part C》《 力學(xué)季刊 》《 現(xiàn)代機(jī)械 》等編委。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21004218?via%3Dihub
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