一种新型可变刚度材料的有限元建模

王厉哲

(上海飞机设计研究院,上海 200120)

一种新型可变刚度材料的有限元建模

王厉哲

(上海飞机设计研究院,上海 200120)

本文介绍了一种新型可变刚度的材料结构,它是一种由弹性袋包裹颗粒的材料结构,通过施加限制压力的方式,使材料内部的颗粒相互之间产生自锁,从而加强结构的刚度。在结构受到损伤变形失效后,可以通过释放并重新施加限制压力的方式,使结构可以内部重塑,达到自修复的目的。基于此种弹性袋包裹颗粒的材料结构,本文主要进行了ABAQUS有限元建模分析,模拟分析了其抗弯刚度,结果表明模型较好的反映了真实情况,对未来研究能起到推进作用。

复合材料 自适应 可变刚度 颗粒材料 有限元

1 背景

复合材料是有两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法结合,从而在宏观上组成具有新性能的材料。随着现代高新科技的发展,复合材料由于其优越的性质而被广泛的研究和应用。近年来尤其是在航空领域,复合材料的使用率已经成为民机是否先进的判断标准。而与此同时人们对复合材料的性能提出了更高的要求,例如刚度与强度的可变性与可修复性。

自适应材料,是一种在有外界因素激励的条件下,可以改变自身性能例如强度和刚度的材料,它是材料的一种分支。有一种典型的智能复合材料叫做复合泡沫塑料,它是一种以空心微球作为增强体的复合材料,由于它具有较高的抗压强度以及损伤容限,近些年它被大量引入于夹层结构进行研究。通常夹层结构的失效是由于外界冲击而损坏夹层中心层结构而导致的,这种情况下为了修复夹层的中心层,传统的方式需要在夹层表面开孔,但这会在表面带来不必要的损伤而降低修复后的性能。因此,自修复功能对于夹层结构就显得特别重要。

本文介绍了一种新型可变刚度的材料,它是一种由弹性袋包裹颗粒的材料结构,通过施加限制压力的方式,使材料内部的离散颗粒相互之间产生自锁达到稳定状态,从而加强结构的刚度。在结构受到损伤变形失效后,可以通过重新施加限制压力的方式,使结构可以内部重塑,达到自修复的目的。

2 研究现状

D.M.Phillips等人[1,2]曾做过多组试验。他们将不同大小的空心玻璃球作为填充物分别放入夹层结构的中心层,对中心层反复施加、释放、再施加限制压力(即抽真空),并在每一次施加限制压力后,通过三点弯曲试验测试试验件的抗弯刚度。结果表明试验件的抗弯刚度在多次测量中均保持一致,具有良好的可逆性,说明了此种弹性袋包裹颗粒材料结构具有良好的自修复性。

3 ABAQUS有限元建模

为了预测弹性袋包裹颗粒材料结构在受到限制压力时的抗弯强度,本文首次针对弹性袋包裹颗粒材料结构建模,进行有限元分析。模型建立过程主要包括以下几个步骤。

3.1 创建对象

图1 模型在模拟三点弯曲实验的截面图

表1 创建的实例对象具体细节

本文选取球形作为颗粒的基本形态,选取两侧封闭的圆筒形作为弹性袋的原始形态。并创建两组圆柱形刚体作为模拟三点弯曲试验的加载头和支撑座。在材料定义中假设球体为钢球,假设圆柱形的弹性带为橡胶,分别定义他们的密度、杨氏模量以及泊松比。同时网格化的质量会直接影响到有限元分析的结果,因此需要对网格类型以及大小进行反复琢磨。具体的实例对象细节详见表1所示。

3.2 装配

在建立完实例后,就需要考虑将各个实例按实验中的需求装配起来。为了模拟球形颗粒在橡胶圆筒中的真实排列方式,以模拟三点弯曲实验时力的传递,本文通过制作样品,使用了直径为26mm的橡胶管,直径为6mm的钢球,真实展现了钢球在填充进橡胶管后的稳定排列形态,而后在模型中对球体进行同样的排列。

3.3 定义加载以及边界条件

在颗粒系统中,力和力矩的传递是通过颗粒间的接触进行的,颗粒间的接触刚度会直接影响到最后的分析结果。另外在模拟限制载荷时,本文中使用了在橡胶管外部施加均布载荷的方式进行模拟,并假设压力为一个大气压,直接模拟试验件内部真空的情况。最后模拟三点弯曲实验,固定底部两个支撑,加载头匀速移动。建模效果如图1所示。

3.4 结论与分析

为了分析这种弹性袋包裹颗粒材料结构的抗弯刚性,模型中输出了加载头位移与试验件施加在加载头上的反力的曲线图,通过线性拟合计算斜率,然后根据公式E=/可算出此模型的弹性模量,约为18.3MPa。经分析,模型输出的反力-位移曲线呈明显出较好的线性趋势,预测出的弹性模量基本反映了此试验件的真实状态,且考虑到建模过程中对物体与相互作用力所采用的各种简化与假设,可以得出结论本文中基于此种弹性袋包裹颗粒材料结构的建模是成功的。且通过受力图可以看出在整个模拟过程中,力在颗粒之间的传播路径,力链的分布,这对未来对此种结构的内部优化有很大的作用。

[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.