1.復合材料分類

復合材料可以定義為以一種材料為基體，其他材料為增強體，通過一定加工方法組合在一起而形成的一種宏觀（微觀）上新性能的材料，能夠在性能上對單一材料優點進行利用，補短其某些性能不足，產生更好協同效應。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。

金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬。復合材料現在越來越廣泛應用于航天、汽車、游艇、風電、運動器材等領域。

復合材料結構有限元計算方法

工程問題對承擔較大載荷復合材料結構件需要進行校核設計，在模型制備之前利用有限元分析仿真會大大提高產品設計效率，以及通過優化設計方法給出好的設計空間和材料分布。復合材料的有限元分析一般可以考慮三種計算方法進行處理：微觀方法、中尺度方法、宏觀方法。

圖1 多種復合材料微元結構
微觀方法（Micro-Scale Approach）

微觀方法（Micro-Scale Approach）是最詳細的復合材料計算方案，定義纖維幾何在基體中的角度、位置、材料屬性并進行計算，圖2所示是多種復合材料微元結構，但是這種計算方法對于大型設計產品的計算量是相當可觀的，例如玻璃纖維增強復合材料風力發電機導流罩，玻璃纖維直徑單位μm而導流罩尺寸直徑在5-10米，雖然有限元法理論模擬系統結構力學(求解所有長度尺度)可行但目前可行性不高，無論是在現代計算硬件上還是在不久的將來，數量級差距明顯所需計算單元數量將會像天文數字般龐大。

中尺度方法（Meso-Scale Approach）

中尺度方法（Meso-Scale Approach）通過鋪層設計、定義單層厚度、材料屬性、鋪層纖維角度等進行表達復合材料的設計，這種方法通常以如圖3所示層合板復材計算為主。

中尺度計算方法能夠進行的復合材料應力、應變、失效模式判定、層間失效、剝離等分析，例如圖4所示是復材板折彎性能的漸進損傷分析計算結果。

圖2 復合材料層合板設計

圖3中尺度的計算方法漸進損傷分析
宏觀方法（Macro-Scale Approach）

宏觀方法（Macro-Scale Approach）通常用于不考慮層間評估的整體應力、模態、屈曲等分析中。其中一種是通過計算微觀胞元均質化材料參數轉化為宏觀各向異性或者非各向異性計算參數的方法，這使得復合材料產品初始設計和結構性能仿真具有了更好的依據。

消除復合材料有限元分析中尺度問題的標準方法是均勻化,在所有的仿真方法中都存在尺度分離的假設，如果違背微尺度結構必須明顯小于宏觀尺度這一假設，微觀和宏觀尺度不能獨立建模，這個假設對于復合材料和增材制造點陣設計都是合理的，所有計算中都是這個假設。

應該指出有一個逆向過程稱為去均質或局部化，研究結構在某一位置失效的原因將分析從宏觀尺度轉移到微觀尺度，在更細層次上確定失效的原因。

以短切纖維復合材料均質化和隨機UD復合材料均質化為例進行說明：

短切纖維復合材料均質化計算過程采用各向同性線性彈性基體材料和各向同性或橫向各向同性(單向)線性彈性纖維材料組成。纖維是有限長度的圓柱體，假定纖維的長度和直徑一致，纖維均勻分布于各個方向，纖維與基體材料之間完美結合，如圖4所示。

圖4 短切纖維復合材料均質化
隨機UD復合材料均質化計算過程由各向同性線性彈性基體材料和各向同性或橫向各向同性(單向)線性彈性纖維材料組成。纖維是無限的、圓柱形的、相同纖維直徑且平均方向為X方向，纖維與基體材料完美結合，如圖5所示。

圖5 隨機UD復合材料均質化
通過均質化后復合材料計算材料屬性能夠在復合材料制備結構零件進行宏觀尺度上有限元模擬分析，計算成本大大降低；同時能夠通過對復合材料基體、纖維比例可控進行參數化設計尋求最佳材料性能；這些都為未來3D打印復合材料技術廣泛應用提供了良好前提。

3.復合材料有限元分析計算舉例

以一個復合材料連接關節算例來說明中尺度方法、微觀-宏觀均質化方法的計算應用，連接關節結構包括結構卡鉗、夾緊片、高強螺栓、管結構幾部分組成。

其中管結構常規鋪層設計，采用復合材料中尺度方法計算方法，利用ANSYS CompositePrePost進行完成；夾緊片結構采用微觀-宏觀均質化方法，采用隨機UD材料的均質化模型計算材料參數并基于材料單元方向賦予進行；卡鉗結構采用微觀-宏觀均質化方法計算短纖維復合材料均質化材料參數進行；默認卡鉗和夾緊片采用3D打印復材方法進行增材制造并進行表面光整機械加工，仿真模型中結構材料分布如圖6所示。

求解計算采用ANSYS Mechanical進行，整體模型計算搭建考慮Connect接觸連接和Joint運動關節設置，并建立相應位置約束，施加螺栓預緊力作用螺栓拉緊卡鉗結構不斷壓緊夾緊片并作用在管結構，如圖7所示。

求解計算結果如圖8所示，采用微觀-宏觀均質化計算的卡鉗結構材料屬性接近各向同性能夠直接進行等效應力、變形的觀察，中間夾緊片計算結構采用主應力考慮纖維方向的應力狀態，管結構采用ACP-Post逐層進行應力、應變觀察和失效準則的評估。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的复合材料有限元仿真计算的应用方法浅析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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