復(fù)合材料層合/夾層板熱膨脹/彎曲有限元分析

雒志強(qiáng) 劉建業(yè) 耿帥 曲歌

摘 要：本文介紹了有限元軟件ABAQUS的有限元建模和仿真分析的過程，并且應(yīng)用ABAQUS對層合板/夾層板的熱膨脹和熱彎曲問題進(jìn)行分析，建模過程中分別采用實(shí)體單元和殼單元兩種不同單元建模，分別對兩種單元建立模型的熱膨脹和熱彎曲問題仿真分析。通過與精確解的比較可以得出：實(shí)體單元可以更好的應(yīng)用于復(fù)合材料層合/夾層結(jié)構(gòu)的熱膨脹和熱彎曲問題。具有一定的工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：層合板；夾層板；熱膨脹；熱彎曲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.058

1 引言

復(fù)合材料具有低密度比強(qiáng)度、高比強(qiáng)度和高比剛度等性能，并且還具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、良好的耐磨性和良好的耐熱性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。復(fù)合材料無論是在制備還是應(yīng)用的過程中，都不可避免的與熱接觸，或者是處于熱環(huán)境之中。復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)在使用過程中會因溫度變化而產(chǎn)生熱膨脹，受熱后產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變會對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，在熱應(yīng)力的作用下，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。因此，復(fù)合材料受溫度影響而導(dǎo)致的熱膨脹和熱彎曲問題的分析是十分重要的。而且這個(gè)研究方向是一個(gè)非常值得深入的研究方向。國內(nèi)外對于熱問題的研究在理論方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是在實(shí)際工程問題分析中，有許多問題應(yīng)用理論求解時(shí)時(shí)非常困難的，甚至有的問題無法求解。隨著有限云方法的出現(xiàn)和有限云軟件的發(fā)展，使得有些工程問題變得簡單高效。本文采用有限云軟件ABAQUS對于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)的熱膨脹和熱彎曲問題進(jìn)行仿真分析。

2 復(fù)合材料層合板/夾層板幾何模型的建立

2.1 復(fù)合材料層合板/夾層板幾何模型的建立

本文建立的模型是用有限元軟件ABAQUS建立的，具體的建模步驟如下：本文建立的復(fù)合材料三層板分別采用實(shí)體單元和殼單元，兩種不同的單元建立的。首先介紹實(shí)體單元有限元模型的建立。實(shí)體單元建立模型時(shí)進(jìn)入Part模塊，選擇三維，實(shí)體，可變性，模型空間“大約尺寸”設(shè)置為50，其他參數(shù)保持不變，采用實(shí)體單元建模的時(shí)候，采用的是實(shí)體拉伸，點(diǎn)擊繼續(xù)進(jìn)入草圖編輯界面。使用創(chuàng)建矩形框創(chuàng)建長度和寬度均為1的矩形，總體厚度為0.2。然后在Part模塊中將其均勻分為三層。分為三層時(shí)采用的方法如下所示：首先要?jiǎng)?chuàng)建基準(zhǔn)平面，繞后利用拆分幾何元素：使用基準(zhǔn)平面，將其均勻的分為三層。在創(chuàng)建殼單元步驟與實(shí)體單元相同，不同之處在于殼單元?jiǎng)?chuàng)建時(shí)Shell模塊下創(chuàng)建的。創(chuàng)建殼單元的時(shí)候，模型空間選擇三維模型，模型的類型選擇可變性，模型的形狀選擇殼，而模型的形狀選擇面。

創(chuàng)建夾層板時(shí)，使用創(chuàng)建矩形框創(chuàng)建長度和寬度均為1的矩形，總體厚度為0.2。然后在Part模塊中將其分為三層。表面層厚度分別為0.04，夾心層厚度為0.12。

2.2 復(fù)合材料層合板/夾層板的材料屬性

模型建立完成之后，下一步需要對材料屬性定義，進(jìn)入Property模塊，輸入材料的相應(yīng)屬性。所需要的材料參數(shù)包括彈性模量，泊松比，熱膨脹系數(shù)等。在完成創(chuàng)建材料屬性之后，接下來需要?jiǎng)?chuàng)建截面，創(chuàng)建截面完成之后進(jìn)行指派截面。本文所采用的層合板/夾層板材料參數(shù)如下：

2.3 復(fù)合材料層合板/夾層板的單元?jiǎng)澐?/p>

由于在創(chuàng)建層合板/夾層板模型時(shí)，分別采用了實(shí)體單元和殼單元，兩種不同的單元類型，所以在劃分網(wǎng)格的時(shí)候也是采用不同的類型。實(shí)體單元采用的網(wǎng)格單元類型是C3D8T單元，該單元是八結(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元， 三向線性位移， 三向線性溫度；使用該單元可以更加準(zhǔn)確地分析復(fù)合材料的熱膨脹和熱彎曲問題，在計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變時(shí)非常準(zhǔn)確。殼單元采用的網(wǎng)格類型是S4RT單元，該單元為四結(jié)點(diǎn)熱力耦合曲面薄殼或厚殼， 減縮積分， 沙漏控制， 有限膜應(yīng)變；使用該單元可以更加準(zhǔn)確地分析復(fù)合材料的熱膨脹和熱彎曲問題，在計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變時(shí)非常準(zhǔn)確。

2.4 復(fù)合材料層合板/夾層板的加載

對于三層板/夾層板的邊界條件，采用的邊界條件是在溫度載荷下的四邊簡支結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用的邊界條件如下所示：

溫度載荷的加載如下所示：計(jì)算熱膨脹問題時(shí)所采用的載荷為，當(dāng)計(jì)算熱彎曲問題時(shí)，施加的熱載荷為。

3 復(fù)合材料層合板/夾層板有限元計(jì)算及分析

復(fù)合材料層合板/夾層板的有限元模型建立完畢，邊界條件和載荷確定后就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算并且進(jìn)行結(jié)果分析。本文所采用的三層板的角度為0°/90°/0°，分別使用的實(shí)體單元和殼單元兩種不同的單元；夾層板的鋪層角度為0°/夾心/0°，分別采用實(shí)體單元和殼單元兩種不同單元建立模型。下面就對兩種建模形式分別進(jìn)行計(jì)算分析。

進(jìn)行熱膨脹和熱彎曲的計(jì)算之前首先需要進(jìn)行溫度場的計(jì)算，然后將溫度場的分布導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的內(nèi)部計(jì)算結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力和熱變形。面板的鋪設(shè)角度為0°/90°/0°，面板共分為三層，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行熱應(yīng)力和熱變形的計(jì)算。

表一為在熱載荷作用下的復(fù)合材料四邊簡支三層板（0°/90°/0°）的熱膨脹問題分別采用實(shí)體單元和殼單元的仿真結(jié)果的對比。

表二為作用下的復(fù)合材料四邊簡支夾層板的熱膨脹問題分別采用實(shí)體單元和殼單元的仿真結(jié)果的對比。

表三為在熱載荷作用下復(fù)合材料四邊簡支三層板（0°/90°/0°）的熱彎曲問題分別采用實(shí)體單元和殼單元的仿真結(jié)果的對比。

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件ABAQUS分析了復(fù)合材料三層層合板和夾層板的熱膨脹/彎曲問題，分別采用實(shí)體單元和殼單元進(jìn)行仿真，其結(jié)果與精確解進(jìn)行對比?；谝陨系姆抡娼Y(jié)果，得出如下結(jié)論：ABAQUS單元庫中的殼單元不能準(zhǔn)確地模擬復(fù)合材料層合板/夾層板的熱膨脹/彎曲問題，實(shí)體單元可以較為準(zhǔn)確地模擬復(fù)合材料層合板/夾層板的熱膨脹/彎曲問題。

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