练习2:多层建模
简介
本练习有以下几点目标:
•熟悉DIGIMAT的图形用户界面;
•让您定义多层RVE,其方向张量随厚度可变;
•帮助您了解表面/核心效应如何在Digimat-MF中影响材料性能。
材料数据
本次动手练习中所研究的材料是聚酰胺(PA尼龙)-玻璃纤维复合材料,即按质量具有30%的玻璃纤维包裹体的聚酰胺基质。矩阵被定义为具有各向同性指数硬化的弹塑性材料,并且使用下表中的数值来定义2相材料。
表1:基质和夹杂材料的材料数据
玻璃纤维夹杂体的长宽比为25,其取向在下一节中有述。
多层建模
夹杂体的取向分布取决于零件的几何形状、注入参数、纤维自身的形状,在复合材料中的含量等等。除了这些影响之外,还经常发现通过厚度观察到夹杂体取向的表皮/核心结构。这样的结构会影响零件的力学响应,这是这项实操练习的范围。
表皮/核心效应被描述为一种工艺现象,我们观察到纤维在表面上沿着流动方向的排列,并被纤维倾向于横向取向的芯层上的层分开。您可以观察到图2中这样的行为。对这种现象影响最大的参数是注入速度,注射速度越快,核心厚度越大。
图1:表皮/核心效应
为了对多层微观结构进行建模,我们将通过层假设某些数据一致,如纤维含量和纵横比。使用注塑板上的模流结果作为参考,一系列的取向张量应用在不同的层上(见下表)。纤维取向信息在模流中的两层之间的接口给出,而Digimat-MF在每层的中心需要这个信息。数据从接口到层中心的传输由Digimat-MF自动完成。从表3中的11个接口的数据表中可以计算出层中心的信息(图2)。
表2:随RVE厚度变化的纤维取向张量
图2:每层中心的取向张量
在这种情况下,分布就像您所看到的那样具有对称性。然后,情况并不总是这样,核部分比较大。事实上,通过查看表格可以看出,核心占总厚度的25%左右。这是重要的细节,有时可以解释零件的行为,所以能够读取和解释取向张量及其分布是有用的。通过计算沿厚度的取向分布的平均张量,如您所观察到的,取向既不是一致方向也不是随机的2D的分布。
以下公式用于计算平均取向张量,
式中k是层数,T是复合材料的整体厚度。A33微调满足A33 + A11 + A22 = 1。
表3:通过厚度的取向分布的平均张量
任务(1)
1.使用上面定义的材料属性定义材料,首先使用上面给出的平均取向张量定义单层结构。
2.在Digimat-MF上对这个复合材料进行单轴加载模拟并绘制出来相关的应力 -应变曲线。在对准(0°)和横向(90°)光纤的方向进行操作(修改加载部分中的φ角)
任务(2)
1、使用与之前任务中相同的材料,定义多层结构。导入以中面格式文件定义的11层的多层结构。要做到这一点,去Digimat树中的RVE选项卡,选择多层分析:
滚动到下面,点击导入按钮:
这将打开来自取向文件窗口的导入层。选择为练习提供的Tensor.ele.001文件文件,再点击OK:
多层定义现已经成功加载。
2、对这个多层复合材料在Digimat-MF中运行一个单轴拉伸模拟,并将相关的应力-应变曲线加入到图中。
3、定义一个90°加载以便您可以横向在主纤维方向进行一次拉伸试验。将相关的应力-应变曲线加入到图中。
4、利用最后的图,比较所有的力学响应。您看到区别了吗?
5、在多层的情况下,将第5层拉伸方向(s11宏)的平均基质应力的演化进行比较。在纵向的情况下,见图4。解释为什么越接近核应力越高。
图3:单层和多层结构在0°和90°的应力 - 应变曲线。
请注意,对于纵向和横向测试,多层结构的拉伸响应都有刚性。这样的观察可能会令人惊讶,但并不正确。本教程定义的多层结构实际上包含纵向和横向的层,厚度重量大,而单层结构在0°和90°拉伸测试中既不是纵向也不是横向。这就解释了为什么在多层结构的拉伸试验中,您会得到较刚性反应。这种观察并非总是如此,它取决于通过厚度的纤维分布,也取决于核心和表面的厚度重量。这只是说,最终,多层结构可以比单层结构更好地描述复合材料的整体力学行为。
图4:11-基体相中的平均张应力。不同层的应力水平比较。
文中所示的范例,请于百度盘下载。
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