溫度對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

彭惠芬，王 程，王 鵬

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318;2.大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163453)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是目前最先進(jìn)的高性能復(fù)合材料之一，在航空航天、船舶、石油機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。工程應(yīng)用中諸如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片［1-5］、深井采油設(shè)備中的抽油桿等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在服役期間都不可避免地受到溫度變化影響［6-7］，溫度變化的影響不容輕視。因此，研究不同溫度下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)行為，具有十分重要的工程實(shí)際意義［8］。目前，對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究主要集中在纖維鋪設(shè)方向、基體黏結(jié)力、界面力學(xué)行為等方面，而溫度對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)行為的研究還不多見［9-11］。為準(zhǔn)確估計(jì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)性能和可靠性，本文利用ANSYS軟件，建立了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模型，分析了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力、變形隨溫度變化規(guī)律，為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同溫度條件下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料數(shù)值模擬

以懸臂梁為例，設(shè)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由剛性纖維和樹脂基體組成，其橫截面如圖1所示。橫截面尺寸為0.3 m×0.3 m，長度為3 m，碳纖維材料熱膨脹系數(shù):ax=ay=az=2.02E－6，剛性纖維及樹脂基體材料性能參數(shù)見表1。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)如下:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為均質(zhì)、各向同性的彈性直桿;纖維成正方形陣列排列;假定界面完好，沒有初始缺陷或裂紋。在上述假設(shè)基礎(chǔ)上，建立碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有限元模型，利用ANSYS的MPC184單元模擬碳纖維增強(qiáng)材料，SOLID185單元模擬樹脂基體材料，建立碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁有限元模型，采用Newmark法求解。

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁材料參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

表2為溫差20℃和80℃時(shí)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁熱應(yīng)力分析數(shù)值解與解析解的比較。

表2 不同計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

從表2中可以看出:數(shù)值解與解析解數(shù)據(jù)吻合很好，說明本文所建有限元模型的正確性。

表3、表4分別為溫差為2 0℃和80℃時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁中性層處位移隨截面位置變化規(guī)律。

表3 溫差20℃時(shí)復(fù)合材料梁中性層各點(diǎn)位移隨截面位置變化規(guī)律

表4 溫差80℃時(shí)復(fù)合材料梁中性層各點(diǎn)位移隨截面位置變化規(guī)律

從表3、表4中可以看出:溫度對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的變形有較大影響。隨著溫度的增大，各截面變形均有顯著增加，各截面隨著x的增加而減小，且固定端截面處上下各點(diǎn)變形不均勻;而自由端處截面變形較小，上下各點(diǎn)變形均勻。

圖2和圖3分別表示復(fù)合材料梁邊緣及中性層不同截面處應(yīng)力隨溫差的變化規(guī)律。其中，1線表示固定端處應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系曲線，2線和3線分別表示梁中間橫截面和自由端處應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系曲線。從圖2中可以看出:復(fù)合材料梁邊緣各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均隨溫差增加而增加，其中固定端和中截面處應(yīng)力受溫度變化影響較大，且變化是非線性的;自由端處應(yīng)力受溫度變化影響較小，近似線性變化。從圖3中可以看出:復(fù)合材料梁中間各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在溫差小于80℃時(shí)，各截面處應(yīng)力均隨溫差增加而增加，當(dāng)溫差達(dá)到80℃后，應(yīng)力隨溫差增大而降低，這主要由于復(fù)合材料中的樹脂達(dá)到其軟化溫度，復(fù)合材料分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，使復(fù)合材料梁的承載能力顯著降低。

3 結(jié)論

1)利用ANSYS軟件建立了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有限元模型，從數(shù)值解與解析解比較可以看出:兩種方法數(shù)據(jù)吻合很好，這表明所建數(shù)值模型的正確性。

2)溫度對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力和變形有很大影響:當(dāng)溫度小于80℃時(shí)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力隨溫度升高呈明顯上升趨勢(shì);當(dāng)溫度超過80℃時(shí)，其承載能力顯著降低;當(dāng)溫度高于100℃后，應(yīng)力隨溫度增加變化趨于平緩。

3)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的變形隨溫度升高呈上升趨勢(shì)，不同截面變形規(guī)律不同，其中靠近固定端截面處各點(diǎn)變形不均勻，自由端處截面變形較小，且各點(diǎn)變形趨于均勻。

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