一種新型可變剛度材料的有限元建模

王厲哲

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院,上海 200120)

一種新型可變剛度材料的有限元建模

王厲哲

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院,上海 200120)

本文介紹了一種新型可變剛度的材料結(jié)構(gòu),它是一種由彈性袋包裹顆粒的材料結(jié)構(gòu),通過施加限制壓力的方式,使材料內(nèi)部的顆粒相互之間產(chǎn)生自鎖,從而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度。在結(jié)構(gòu)受到損傷變形失效后,可以通過釋放并重新施加限制壓力的方式,使結(jié)構(gòu)可以內(nèi)部重塑,達(dá)到自修復(fù)的目的?；诖朔N彈性袋包裹顆粒的材料結(jié)構(gòu),本文主要進(jìn)行了ABAQUS有限元建模分析,模擬分析了其抗彎剛度,結(jié)果表明模型較好的反映了真實(shí)情況,對未來研究能起到推進(jìn)作用。

復(fù)合材料 自適應(yīng) 可變剛度 顆粒材料 有限元

1 背景

復(fù)合材料是有兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料,通過物理或化學(xué)的方法結(jié)合,從而在宏觀上組成具有新性能的材料。隨著現(xiàn)代高新科技的發(fā)展,復(fù)合材料由于其優(yōu)越的性質(zhì)而被廣泛的研究和應(yīng)用。近年來尤其是在航空領(lǐng)域,復(fù)合材料的使用率已經(jīng)成為民機(jī)是否先進(jìn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。而與此同時人們對復(fù)合材料的性能提出了更高的要求,例如剛度與強(qiáng)度的可變性與可修復(fù)性。

自適應(yīng)材料,是一種在有外界因素激勵的條件下,可以改變自身性能例如強(qiáng)度和剛度的材料,它是材料的一種分支。有一種典型的智能復(fù)合材料叫做復(fù)合泡沫塑料,它是一種以空心微球作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料,由于它具有較高的抗壓強(qiáng)度以及損傷容限,近些年它被大量引入于夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通常夾層結(jié)構(gòu)的失效是由于外界沖擊而損壞夾層中心層結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的,這種情況下為了修復(fù)夾層的中心層,傳統(tǒng)的方式需要在夾層表面開孔,但這會在表面帶來不必要的損傷而降低修復(fù)后的性能。因此,自修復(fù)功能對于夾層結(jié)構(gòu)就顯得特別重要。

本文介紹了一種新型可變剛度的材料,它是一種由彈性袋包裹顆粒的材料結(jié)構(gòu),通過施加限制壓力的方式,使材料內(nèi)部的離散顆粒相互之間產(chǎn)生自鎖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),從而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度。在結(jié)構(gòu)受到損傷變形失效后,可以通過重新施加限制壓力的方式,使結(jié)構(gòu)可以內(nèi)部重塑,達(dá)到自修復(fù)的目的。

2 研究現(xiàn)狀

D.M.Phillips等人[1,2]曾做過多組試驗(yàn)。他們將不同大小的空心玻璃球作為填充物分別放入夾層結(jié)構(gòu)的中心層,對中心層反復(fù)施加、釋放、再施加限制壓力(即抽真空),并在每一次施加限制壓力后,通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測試試驗(yàn)件的抗彎剛度。結(jié)果表明試驗(yàn)件的抗彎剛度在多次測量中均保持一致,具有良好的可逆性,說明了此種彈性袋包裹顆粒材料結(jié)構(gòu)具有良好的自修復(fù)性。

3 ABAQUS有限元建模

為了預(yù)測彈性袋包裹顆粒材料結(jié)構(gòu)在受到限制壓力時的抗彎強(qiáng)度,本文首次針對彈性袋包裹顆粒材料結(jié)構(gòu)建模,進(jìn)行有限元分析。模型建立過程主要包括以下幾個步驟。

3.1 創(chuàng)建對象

圖1 模型在模擬三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的截面圖

表1 創(chuàng)建的實(shí)例對象具體細(xì)節(jié)

本文選取球形作為顆粒的基本形態(tài),選取兩側(cè)封閉的圓筒形作為彈性袋的原始形態(tài)。并創(chuàng)建兩組圓柱形剛體作為模擬三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的加載頭和支撐座。在材料定義中假設(shè)球體為鋼球,假設(shè)圓柱形的彈性帶為橡膠,分別定義他們的密度、楊氏模量以及泊松比。同時網(wǎng)格化的質(zhì)量會直接影響到有限元分析的結(jié)果,因此需要對網(wǎng)格類型以及大小進(jìn)行反復(fù)琢磨。具體的實(shí)例對象細(xì)節(jié)詳見表1所示。

3.2 裝配

在建立完實(shí)例后,就需要考慮將各個實(shí)例按實(shí)驗(yàn)中的需求裝配起來。為了模擬球形顆粒在橡膠圓筒中的真實(shí)排列方式,以模擬三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)時力的傳遞,本文通過制作樣品,使用了直徑為26mm的橡膠管,直徑為6mm的鋼球,真實(shí)展現(xiàn)了鋼球在填充進(jìn)橡膠管后的穩(wěn)定排列形態(tài),而后在模型中對球體進(jìn)行同樣的排列。

3.3 定義加載以及邊界條件

在顆粒系統(tǒng)中,力和力矩的傳遞是通過顆粒間的接觸進(jìn)行的,顆粒間的接觸剛度會直接影響到最后的分析結(jié)果。另外在模擬限制載荷時,本文中使用了在橡膠管外部施加均布載荷的方式進(jìn)行模擬,并假設(shè)壓力為一個大氣壓,直接模擬試驗(yàn)件內(nèi)部真空的情況。最后模擬三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn),固定底部兩個支撐,加載頭勻速移動。建模效果如圖1所示。

3.4 結(jié)論與分析

為了分析這種彈性袋包裹顆粒材料結(jié)構(gòu)的抗彎剛性,模型中輸出了加載頭位移與試驗(yàn)件施加在加載頭上的反力的曲線圖,通過線性擬合計算斜率,然后根據(jù)公式E=/可算出此模型的彈性模量,約為18.3MPa。經(jīng)分析,模型輸出的反力-位移曲線呈明顯出較好的線性趨勢,預(yù)測出的彈性模量基本反映了此試驗(yàn)件的真實(shí)狀態(tài),且考慮到建模過程中對物體與相互作用力所采用的各種簡化與假設(shè),可以得出結(jié)論本文中基于此種彈性袋包裹顆粒材料結(jié)構(gòu)的建模是成功的。且通過受力圖可以看出在整個模擬過程中,力在顆粒之間的傳播路徑,力鏈的分布,這對未來對此種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部優(yōu)化有很大的作用。

[1]D.M. Phillips, G.S. Jacobson, and J. Baur, “Granular Reinforced Materials for Morphing Structures,”2007 SAMPE Fall Technical Conference and Exhibition, Cincinnati, OH, Oct.29-Nov.1, 2007.

[2]Phillips, D. M.(2010) A Granular Core for Self-healing, Variable Modulus Sandwich Composites. Journal of Composite Materials.44(22),2527.