PP/HDPE復(fù)合材料抗彎性能的有限元分析

何小芳 白玉峰 侯朝陽(yáng) 曹新鑫

摘? 要：利用ABAQUS有限元軟件，基于等效方格芯材結(jié)構(gòu)，建立方格芯材結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲模型，進(jìn)行變形過(guò)程的求解分析。在彎曲變形過(guò)程中，研究方格胞元壁厚對(duì)方格芯材結(jié)構(gòu)變形行為的影響，設(shè)計(jì)出一種方便制備的方格芯材結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。結(jié)果表明，芯材的加入可以分擔(dān)部分應(yīng)力，當(dāng)胞元壁厚為4mm時(shí)，Mises最大應(yīng)力達(dá)到最大值32.15MPa。通過(guò)測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能，驗(yàn)證了有限元仿真結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)曲線與仿真曲線整體走勢(shì)吻合。

關(guān)鍵詞：有限元? 方格芯材? 抗彎性能? 可靠性

中圖分類號(hào)：TB332? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（c）-0085-03

Abstract： Based on the equivalent grid core material structure， a three-point bending model of grid core material structure was established by using ABAQUS finite element software to solve and analyze the deformation process. In the bending deformation process， the influence of cell wall thickness on the deformation behavior of lattice core was studied， and a kind of lattice core composite material was designed.By testing the mechanical properties of the composite， the reliability of the finite element simulation results is verified， and the test curve is consistent with the overall trend of the simulation curve.

Key Words： Finite element; Grid core material; Bending stiffness; Reliability

所謂有限元法，將連續(xù)的帶求解域分解，形成有限個(gè)單元后進(jìn)行計(jì)算的方法，分散后的單元經(jīng)設(shè)定后再次連接，形成新的求解域，加快計(jì)算速度，提高計(jì)算精度。當(dāng)模型較復(fù)雜時(shí)，可通過(guò)減小單元尺寸、增加單元自由度等方法，近似模擬待測(cè)模型。相較于試驗(yàn)測(cè)試，有限元模擬的成本更低、耗時(shí)更短、分析重復(fù)性更強(qiáng)，并且隨著有限元分析軟件的不斷更新，有限元模擬的結(jié)果也更合理可靠，是一種高效、科學(xué)的分析方法。本章利用ABAQUS有限元軟件，模擬方格芯材結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲過(guò)程，分析在變形過(guò)程中，方格胞元壁厚對(duì)方格芯材結(jié)構(gòu)變形行為的影響，通過(guò)測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能，驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果可靠性。

1? 復(fù)合材料有限元模型建立

由于方格胞元間隙較大，無(wú)法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，因此采用本文模型進(jìn)行彎曲仿真模擬和測(cè)試，在ABAQUS的部件模塊，創(chuàng)建幾何模型。本文中的方格芯材復(fù)合板模型采用三維可變形實(shí)體，尺寸單位均為mm，具體尺寸要求如下：長(zhǎng)100mm，寬40mm，厚4mm，方格芯材厚2mm，胞元壁厚1、2、3、4mm，方格胞元間隙24、23、22、21mm，芯材位于基體表面1mm處。

2? 有限元仿真模擬

2.1 邊界條件的設(shè)定

定義邊界條件目的在于，限定模型的某部分保持固定或在某方向上移動(dòng)，為了使模型不發(fā)生錯(cuò)誤位移，計(jì)算過(guò)程不被終止，進(jìn)而得到與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度高的仿真結(jié)果，定義邊界條件至關(guān)重要。本文仿真過(guò)程中的邊界條件如表1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

本章中芯材和基體的網(wǎng)格單元類型為八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8R），算法采用進(jìn)階算法，并且勾選在合適的地方使用映射網(wǎng)格，其中芯材種子尺寸為0.5mm，基體板種子尺寸為1mm，壓頭網(wǎng)格單元類型為四節(jié)點(diǎn)三維雙線性剛性四邊形（R3D4），算法為進(jìn)階算法，同樣勾選在合適的地方使用映射網(wǎng)格，其中三點(diǎn)彎曲變形所用壓頭種子尺寸為0.5mm，支座種子尺寸為0.3mm。劃分結(jié)果如圖1所示。

2.3 定義材料屬性

本文中用到的材料有高聚物PP、高聚物HDPE，分別將屬性賦予基體板和芯材，三點(diǎn)彎曲中的壓頭和支座設(shè)置屬性為剛體，因此無(wú)需賦予材料屬性。此外，ABAQUS軟件中物理量均不規(guī)定單位，在建立有限元模型時(shí)需格外注意。本文先根據(jù)需要，確定長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、力的單位，然后推導(dǎo)其他物理量單位，在ABAQUS基礎(chǔ)材料庫(kù)中，查得材料屬性如表2所示。

3? 模擬結(jié)果與分析

正如圖2中所示，在位移加載結(jié)束時(shí)，壓力在復(fù)合板上的分布關(guān)于加載方向?qū)ΨQ，應(yīng)力由中心向兩側(cè)遞減，值得注意的是，此時(shí)位于壓頭正下方處的應(yīng)力并非最大，原因在于，在撓曲階段中，壓頭正下方與復(fù)合板的接觸面逐漸減小，所承受的應(yīng)力也逐漸減小[1-2]。當(dāng)胞元壁厚為4mm時(shí)，Mises最大應(yīng)力達(dá)到最大值32.15MPa，跨距達(dá)到最小。表明在三點(diǎn)彎曲過(guò)程中，加入HDPE芯材可分擔(dān)部分壓力，以此來(lái)保護(hù)復(fù)合板外部，以保證在更高載荷條件下使用[3-5]。