復合材料細觀分析有限元建模方法研究

王凱歌　許飛凡　張新宇

摘要 ：本文建立了典型復合材料的一種有限元模型，后對該模型的泊松比分別進行了計算和試驗測試，經過對比表明，采取該建模方法合理可行。

關鍵詞 ：復合材料 泊松比 有限元

1. 模型的建立

取正交鋪層層合板的微小單元，用有限元建立計算模型，材料選用SW220高強玻纖和430LV環氧樹脂，將正交玻纖織物簡化為橫向和縱向交替鋪設的纖維，纖維被樹脂基體包覆，樹脂與纖維的體積比為1：1，樹脂與整體結構的質量比為32%，SW220高強玻纖的彈性模量、泊松比分別為80GPa、0.22，430LV環氧樹脂的彈性模量、泊松比分別為4GPa、0.35.模型如圖1所示。

將模型一端固支，另一端施加縱向均布力載荷Pressure，大小為10MPa.

2. 計算結果及分析

由于模型的中間段應力比較均勻，所以取基體模型的中間段進行結果分析，繪出厚度方向中間層基體的橫向、縱向位移曲線，如圖2、圖3所示。

圖中縱向位移曲線擬合直線的斜率值即為縱向應變，其值為為= 407e-6，橫向位移曲線擬合直線的斜率值即為橫向應變，其值為= 54.5e-6，則泊松比為=0.134.

3. 泊松比試驗測試

試件制作均選用24層SW220玻璃纖維正交織物和430LV環氧樹脂，使用真空成型工藝固化成型，試件尺寸為：260mm×40mm×5mm，試件的表面中央位置粘貼橫向及縱向的應變片，如圖4所示，共制作三個試件，測試結果取其平均值。

在萬能試驗機上對試件進行試驗，如圖5所示，使用應變片采集系統對試件的測試數據進行采集。試驗加載速度為0.5mm/min，試件承受最大應力為90MPa。

1、2、3號試件泊松比的測試結果如圖6所示；

經計算，三個試件的泊松比分別為0.123、0.129、0.119，其平均值為0.124.

4. 結論

有限元計算所得泊松比結果為0.134，而試驗測得的泊松比平均值為0.124，兩者誤差僅為7%，說明試驗較好的驗證了有限元的計算結果，證明了上述有限元簡化模型建模方法合理可行。