基于ANSYS的鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD力學(xué)性能的模擬分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

孫佳楠,陳冰冰,金楊福,高增梁,錢 欣＊

(1.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江杭州310014;2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江杭州310014)

基于ANSYS的鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD力學(xué)性能的模擬分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

孫佳楠1,陳冰冰2,金楊福1,高增梁2,錢 欣1＊

(1.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江杭州310014;2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江杭州310014)

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件,構(gòu)建鋼網(wǎng)離散模型,對(duì)不同鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的高密度聚乙烯(PE-HD)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能分析,通過對(duì)復(fù)合材料拉伸和彎曲模擬發(fā)現(xiàn),鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD復(fù)合材料的彈性模量隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數(shù)目增加而增加,達(dá)到純PE-HD的4～9倍;彎曲模量也隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數(shù)目增加而增加,達(dá)到PE-HD的1～3倍。經(jīng)驗(yàn)證,模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

鋼網(wǎng);增強(qiáng);高密度聚乙烯;ANSYS軟件;數(shù)值模擬;力學(xué)性能

0 前言

鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD是一種性能優(yōu)良的新型鋼塑復(fù)合材料,以高強(qiáng)度鋼網(wǎng)為增強(qiáng)體,PE-HD為基體,這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不但集鋼網(wǎng)高強(qiáng)度和塑料的耐腐蝕優(yōu)點(diǎn)于一身,而且還克服了傳統(tǒng)鋼骨架增強(qiáng)塑料容易脫層等缺陷[1]。

基于這種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值,對(duì)其力學(xué)性能的研究就變得尤其重要。采用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能分析,可以直觀地得到其變形情況、應(yīng)力分布和相關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)。目前采用ANSYS軟件對(duì)鋼網(wǎng)增強(qiáng) PE-HD復(fù)合管進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析和外壓失穩(wěn)分析已有較多研究[2-4],但對(duì)于鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD力學(xué)性能的模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證少有報(bào)道。本文利用真實(shí)鋼網(wǎng)離散模型對(duì)鋼塑復(fù)合材料進(jìn)行拉伸和彎曲模擬分析,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,以便為鋼塑復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供方法和依據(jù)。

1 材料結(jié)構(gòu)和分析模型

1.1 復(fù)合材料試樣

鋼網(wǎng)增強(qiáng) PE-HD復(fù)合材料試樣尺寸為:厚度10 mm,寬度30 mm,長度120 mm;中間鋼網(wǎng)分別采用直徑為1.5、2.0、2.5、3.0 mm鋼絲正交編織,在寬度上分別分布3～5根鋼絲,如圖1所示。

圖1 鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)及注射成型試樣Fig.1 Steel skeleton and injection molded parts

復(fù)合材料試樣成型:先將點(diǎn)焊鋼網(wǎng)置于注射模具型腔內(nèi),采用注射成型工藝成型。PE-HD與鋼絲性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù) Tab.1 Properties of thematerials

1.2 拉伸模擬模型及邊界條件

首先構(gòu)建中間鋼絲網(wǎng)有限元模型,在此基礎(chǔ)上利用ANSYS的實(shí)體造型功能拉伸生長出塑料基體模型。這樣使得鋼絲網(wǎng)與塑料基體結(jié)合一體,建立與實(shí)際測(cè)試試樣尺寸相同的有限元分析模型,如圖2所示。邊界條件為:將 X=0端面固定,在另一個(gè)端面施加25 M Pa的拉伸應(yīng)力載荷。

圖2 拉伸有限元模型及邊界條件Fig.2 Finite elementmodel and boundary conditions fo r stretching

1.3 彎曲模擬模型及邊界條件

與拉伸模型類似構(gòu)建有限元模型,如圖3所示。邊界條件為:采用三點(diǎn)彎曲方式,試樣兩端面簡支固定,試樣中間面施加均布?jí)毫d荷。

圖3 彎曲有限元模型及邊界條件Fig.3 Finite elementmodel and boundary condition for bending

2 有限元分析

2.1 拉伸變形分析

采用小變形分析,得到材料沿 X方向上的形變?cè)茍D,如圖4所示。

圖4 鋼絲增強(qiáng)PE-HD試樣的拉伸形變模擬Fig.4 The simulation fo r tensile deformation of steel skeleton reinforced PE-HD

從圖4可以看出,鋼網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸變形與純塑料有著顯著的不同,純塑料的受拉變形在拉伸方向呈現(xiàn)出整體均勻變化,而鋼網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合材料由于中間增強(qiáng)鋼網(wǎng)的存在,使得整體材料的抗變形能力得到顯著提高,大部分受拉位移較小,僅在受拉端面的最外圍有較大的拉伸變形。

從圖4還可以看出,在相同鋼絲排布但直徑不同情況下,隨著鋼絲直徑的增加,復(fù)合材料變形量也相應(yīng)地減少,但其斷面凹陷程度增大。這說明,鋼絲直徑的增加對(duì)整個(gè)基體所起到的變形牽制作用也越來越明顯,限制基體變形的作用也越來越好。

2.2 彎曲變形分析

通過彎曲模擬分析,得到不同直徑鋼絲增強(qiáng)PE-HD材料沿 Z方向上位移變化的云圖,如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn),在鋼網(wǎng)排布根數(shù)相同時(shí),施加相同下壓載荷的復(fù)合材料,隨著鋼絲直徑的增加,彎曲撓度相應(yīng)下降,復(fù)合材料的整體抗彎能力提高。

2.3 彈性模量的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6為不同鋼絲直徑和試樣寬度上不同鋼絲排布條件下復(fù)合材料彈性模量的變化情況。從圖6可以看出,彈性模量隨著鋼絲直徑的增加而增加,但是增加的幅度逐漸減小;試樣寬度上鋼絲排布數(shù)目增加,彈性模量也隨之增加。相對(duì)純PE-HD而言,鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD復(fù)合材料的彈性模量提高了4～9倍,鋼網(wǎng)增強(qiáng)作用明顯。

圖5 鋼絲增強(qiáng)PE-HD試樣的彎曲變形模擬Fig.5 The simulation fo r bending deformation of steel skeleton reinfo rced PE-HD

圖6中模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致,說明采用有限元數(shù)值分析計(jì)算鋼網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量是可行的,其結(jié)果也是十分準(zhǔn)確。

圖6 彈性模量模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比Fig.6 The comparison of the value of simulation and experiment for elastic modulus

2.4 彎曲模量的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7為不同鋼絲直徑和試樣寬度上不同鋼絲排布條件下復(fù)合材料彎曲模量的變化情況。從圖7可以看出,彎曲模量隨著鋼絲直徑的增加而增加,增加的幅度逐漸增大;試樣寬度上鋼絲排布數(shù)目增加,彎曲模量也隨之增加。與純 PE-HD相比,鋼網(wǎng)增強(qiáng) PE-HD復(fù)合材料的彎曲模量提高了1～3倍,相對(duì)于彈性模量而言,鋼網(wǎng)對(duì)材料彎曲模量的增強(qiáng)作用相對(duì)較小。

圖7中模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致,說明采用有限元數(shù)值分析計(jì)算鋼網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲模量是可行的,其結(jié)果也是十分準(zhǔn)確。

圖7 彎曲模量的模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比Fig.7 The comparison of the value of simulation and experiment fo r bending modulus

3 結(jié)論

(1)模擬結(jié)果表明,彈性模量隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數(shù)目增加而增加,相對(duì)純PE-HD,鋼網(wǎng)增強(qiáng)PE-HD復(fù)合材料的彈性模量提高了4～9倍;彎曲模量也隨著鋼絲直徑的增加和試樣寬度上鋼絲排布數(shù)目增加而增加,相對(duì)純 PE-HD,其彎曲模量提高1～3倍;

(2)通過試驗(yàn)驗(yàn)證,模擬結(jié)果與試驗(yàn)值非常吻合,說明采用有限元分析計(jì)算鋼網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能是可行的。

[1] 王俊良,趙勤寬.鋼骨架塑料復(fù)合管的研制與應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2000,28(12):18-19.

[2] 任志敏,任冬云.新型鋼絲網(wǎng)骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管的有限元分析[J].中國塑料,2002,16(11):40-42.

[3] 鄭津洋,盧玉斌.鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].中國塑料,2006,20(6):82-88.

[4] 朱彥聰,鄭津洋.鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管外壓失穩(wěn)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[C].烏魯木齊:第三屆全國管道技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議,2006:94-97.

AN SYS Soft ware Simulation of Mechanical Properties of Steel Skeleton Reinforced PE-HD and Its Experimental Verification

SUN Jianan1,CHEN Bingbing2,JIN Yangfu1,GAO Zengliang2,QIAN Xin1＊
(1.College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Based on ANSYS finite element analysis software,steel mesh discrete models were formulated for simulating the mechanical properties of steel skeleton reinforced PE-HD composites.Both Young′s and bending moduli of the composites increased with increasing diameter of the steel skeleton and mesh density.The calculated moduli agreed well with the experimental data.

steel skeleton;reinforcement;high density polyethylene;ANSYS software;numerical simulation;mechanical property

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)01-0056-03

2009-09-11

浙江省重大科技專項(xiàng)資助(2008C01047-3)

＊聯(lián)系人,qianx@zjut.edu.cn