复合材料层合板的热应力分析
复合材料用有限元分析
复合材料用有限元分析引言复合材料是由不同类型的材料组合而成的，具有优异的力学性能和轻质化的特点，在航空航天、汽车工程、建筑结构等领域得到广泛应用。
有限元分析是一种常用的工程分析方法，可用于预测复合材料结构在受力过程中的应力和变形情况。
本文将介绍复合材料用有限元分析的基本原理、建模过程、分析方法和结果解读。
有限元分析基本原理有限元分析基于有限元法，将复杂的结构分割成许多简单的单元，再利用数学方法求解这些单元的力学行为，最终得出整个结构的应力和变形情况。
复合材料的有限元分析一般采用3D固体单元或板单元，考虑复合材料的各向异性和层合板的分层结构。
有限元分析的基本原理可以总结为以下几个步骤：1.确定有限元模型：–根据复合材料结构的几何形状和材料性质，选择适当的有限元单元类型。
–确定网格划分方案，将结构划分为单元网格。
–确定边界条件和加载方式，包括约束条件和外部加载。
2.确定单元性质：–根据复合材料的材料力学性质，将其转化为有限元单元的材料刚度矩阵。
–考虑各向异性和分层结构，将材料刚度矩阵进行相应的转换。
3.确定单元相互连接关系：–根据结构的几何体系，确定单元之间的连接关系，包括单元之间的约束和边界条件。
4.求解方程组：–根据单元的刚度矩阵和边界条件，建立整个结构的刚度矩阵。
–考虑加载情况，求解结构的位移和应力。
5.结果后处理：–分析结构的应力和变形分布，评估结构的安全性和性能。
–对结果进行解读和优化。
复合材料有限元分析的建模过程复合材料的有限元分析建模过程与传统材料的有限元分析类似，但在材料性质和单元连接方面存在一些特殊性。
下面是复合材料有限元分析的建模过程的简要步骤：1.几何建模：–根据实际结构的几何形状，利用建模软件（如Solidworks或CATIA）进行3D建模。
–根据复合材料的分层结构，将各层材料的几何形状分别绘制。
2.材料定义：–根据复合材料的材料属性，定义合适的材料模型和参数。
–考虑复合材料的各向异性和分层结构，定义材料的力学参数。
复合材料的应力分析与优化
复合材料的应力分析与优化在现代工程领域中，复合材料凭借其优异的性能，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，得到了广泛的应用。
然而，要充分发挥复合材料的优势，对其应力进行准确分析和优化是至关重要的。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成的。
由于其组成的复杂性，复合材料的应力分布和传递规律与传统的单一材料有很大的不同。
因此，对复合材料应力的分析需要采用专门的方法和理论。
常见的复合材料应力分析方法包括有限元法、边界元法等数值方法，以及实验测试方法。
有限元法是目前应用最为广泛的一种方法。
它将复合材料的结构离散成有限个单元，通过求解每个单元的平衡方程，得到整个结构的应力分布。
在使用有限元法进行分析时，需要准确地建立复合材料的几何模型和材料模型，合理地划分网格，并选择合适的边界条件和加载方式。
边界元法是另一种有效的应力分析方法。
它只需要对结构的边界进行离散化，从而减少了计算量。
但边界元法在处理复杂的几何形状和非线性问题时，可能会遇到一定的困难。
实验测试方法则是通过直接测量复合材料在实际加载条件下的应力应变响应，来获取应力分布信息。
常见的实验测试方法有应变片测量法、光弹性法等。
然而，实验测试方法往往受到测试条件、设备精度等因素的限制，而且只能获得有限点的应力数据。
在对复合材料进行应力分析时，还需要考虑其微观结构对宏观性能的影响。
复合材料的微观结构包括纤维的排列方式、纤维与基体的界面结合情况等。
这些微观因素会显著影响复合材料的应力传递和分布。
例如，纤维的取向会导致复合材料在不同方向上的力学性能差异很大。
如果纤维沿受力方向排列，复合材料的强度和刚度会显著提高；反之，如果纤维与受力方向垂直，复合材料的性能则会大打折扣。
此外，纤维与基体的界面结合强度也会影响复合材料的应力传递。
如果界面结合强度不足，在受力时容易发生脱粘，从而导致复合材料的性能下降。
在了解了复合材料的应力分布特点后，就可以进行应力优化。
热_力耦合下复合材料层合板壳的横向应力分析
Abstract: Integrated a post processing method based on the FSDT and the further application of
ANSYS, a calculation platform is developed, which can carry out accurate transverse thermomechanical stress analysis for laminated and sandwich composite plates and shells. Numerical examples show that the calculation platform can predict efficiently the distribution of the transverse thermo-mechanical stress of the laminated composite plates and shells.
［1，6］
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结构力学特性进行分析的研究比较多
，如经典
层的下表面和上表面的坐标（见图 1） ；C 是平面应 力刚度系数， α 是热膨胀系数向量。 若温度在厚度方向线性变化时，即
层合板理论、 一阶剪切变形理论、 高阶变形理论等。 在给出有效应力分布预测的众多方法中，最广泛使 用的是建立在一阶剪切变形理论基础上的横向应 力分析后处理方法，该方法不仅在计算精度和计算 时间之间有个好的折中，而且能够方便地应用于现 在的商业有限元代码中
B ⎤ ⎥ D th ⎦
th
+
⎡ a th ⎣
⎞ ⎧ To ,α ⎫ ⎤⎟⎨ b th ⎦ ⎟ To , z ,α ⎬ ⎭ ⎠⎩
第11章复合材料层合板的强度分析
第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种，每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。
层合板的应力状态也可以是无数种，因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定．只能通过建立一定的强度理论，将层合板的应力和基本强度联系起来。
由于层合板中各层应力不同，应力高的单层板先发生破坏，于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。
因此，复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。
另外，由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。
这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法，根据单层板的应力状态和破坏模式，建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。
本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则，以及层合板的强度分析方法。
§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知，层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。
当纤维和基体的性质、体积含量确定后，单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样，是可以通过实验唯一确定的。
11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板，具有4个独立的工程弹性常数，分别表示为：纤维方向（方向1）的杨氏模量1E ，垂直纤维方向（方向2）的杨氏模量2E ，面内剪切模量12G ；另外，还有两个泊松比2112,νν，但它们两个 不是独立的。
这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。
单层板的基本强度也具有各向异性，沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。
另外，同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同，强度也往往不同，所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个，称为单层板的基本强度指标，分别表示为：纵向拉伸强度X t (沿纤维方向)，纵向压缩强度X c (沿纤维方向)，横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向)，横向压缩强度Y c (垂直纤维方向)，面内剪切强度S (在板平面内)。
复合材料层合／夹层板热膨胀／弯曲有限元分析
复合材料层合／夹层板热膨胀／弯曲有限元分析本文介绍了有限元软件ABAQUS的有限元建模和仿真分析的过程，并且应用ABAQUS对层合板/夹层板的热膨胀和热弯曲问题进行分析，建模过程中分别采用实体单元和壳单元两种不同单元建模，分别对两种单元建立模型的热膨胀和热弯曲问题仿真分析。
通过与精确解的比较可以得出：实体单元可以更好的应用于复合材料层合/夹层结构的热膨胀和热弯曲问题。
具有一定的工程指导意义。
标签：层合板；夹层板；热膨胀；热弯曲1 引言复合材料具有低密度比强度、高比强度和高比刚度等性能，并且还具有稳定的化学性质、良好的耐磨性和良好的耐热性等优点，已经广泛的应用在航空航天领域。
复合材料无论是在制备还是应用的过程中，都不可避免的与热接触，或者是处于热环境之中。
复合材料层合结构和夹层结构在使用过程中会因温度变化而产生热膨胀，受热后产生的应力、应变会对复合材料的力学性能产生重要影响，在热应力的作用下，可能会导致结构的失效。
因此，复合材料受温度影响而导致的热膨胀和热弯曲问题的分析是十分重要的。
而且这个研究方向是一个非常值得深入的研究方向。
国内外对于热问题的研究在理论方面已经取得了重大进展，但是在实际工程问题分析中，有许多问题应用理论求解时时非常困难的，甚至有的问题无法求解。
随着有限云方法的出现和有限云软件的发展，使得有些工程问题变得简单高效。
本文采用有限云软件ABAQUS对于复合材料层合结构和夹层结构的热膨胀和热弯曲问题进行仿真分析。
2 复合材料层合板/夹层板几何模型的建立2.1 复合材料层合板/夹层板几何模型的建立本文建立的模型是用有限元软件ABAQUS建立的，具体的建模步骤如下：本文建立的复合材料三层板分别采用实体单元和壳单元，两种不同的单元建立的。
首先介绍实体单元有限元模型的建立。
实体单元建立模型时进入Part模块，选择三维，实体，可变性，模型空间“大约尺寸”设置为50，其他参数保持不变，采用实体单元建模的时候，采用的是实体拉伸，点击继续进入草图编辑界面。
碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析
本文中屈服点定义为拉伸曲线上屈服处前后线性
部分延长线的交点 ( 见图 3) 。图 3 示出铝合金的
拉伸曲线, 屈服应变 !y, a 为 0 46% 。
图 4 厂家推荐 的固化温度曲线图
本文中先将 CARALL 加热到 110 或 127 , 然后快速降到室温, 让树脂在较低温度先部分固 化, 放置 24 h 后再加热到 110 或 127 充分固 化 (见图 5)。由于树脂在第一次加热的时候已在 室温至 110 之间发生部 分固化 [ 6] , 则树脂的实 际固化温度应该在 25 到 110 之间 [ 7] 。高压罐 中的气压一律为 0 3 MP a。
第 28卷 第 5期 2008年 10月
文章编号: 1673- 4599 ( 2008) 05- 0022- 05
飞机设计 A IRCRA FT D ESIG N
Vo l 28 N o 5 O ct 2008
碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析
薛 佳 1, 汪文学2, 徐元铭 1, 彭兴林1
( 1. 北京航 空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100083) ( 2. 九州大学 应用力学研究所, 日本福冈 816- 8580)
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飞机设计
第 28卷
由于铝合金是 CARALL 所使用的材料中唯一 有屈服特性的材料, 所以 CARALL 拉伸曲线中体 现出来的屈服特性必定是由铝合金决定的。 CAR ALL 中的铝合金薄板在固化后产生了一定的残余 热应变, 所以 CARALL 的屈服点和单纯铝合金的 屈服点会存在一点偏移, 而这两种材料屈服点位 移的差 值 正 是 CARALL 中 铝 合 金 的 残 余 热 应 变 [ 5] 。屈服点的偏差见图 2。
CARALL 的残余热应力主要是在碳纤维复合 材料固化的时候形成的, 残余热应力的大小取决
多层组合材料热应力计算公式
多层组合材料热应力计算公式热应力这东西，在咱们生活和工程领域中可有着不小的影响力。
就说多层组合材料吧，要搞清楚它们的热应力计算公式，那可不是一件简单的事儿。
先来讲讲什么是热应力。
想象一下，你把一块金属放在火上烤，它会受热膨胀，可要是周围有别的部分限制它自由膨胀，它就会“憋屈”地产生应力，这就是热应力。
多层组合材料的热应力计算就更复杂啦。
比如说，在一个多层的复合材料中，不同层的材料热膨胀系数可能完全不一样。
这就像是一群性格各异的小伙伴被绑在一起做任务，有的活泼好动，有的沉稳安静，一有个风吹草动，就容易产生矛盾。
举个例子吧，我曾经在一家工厂里看到过一个类似的情况。
那是在生产一种多层复合材料的管道，有金属层、塑料层和隔热层。
在一次高温测试中，因为热膨胀的差异，管道出现了明显的变形和裂纹。
当时在场的工程师们那叫一个头疼，赶紧拿着各种数据和公式去计算热应力，试图找出问题的根源。
咱们再回到热应力计算公式。
对于多层组合材料，常用的公式会涉及到材料的弹性模量、热膨胀系数、温度变化量等等。
这些参数的准确测量和合理运用，直接决定了计算结果的准确性。
比如说，弹性模量，它就像是材料的“倔强程度”，有的材料硬邦邦的，弹性模量就大；有的材料软乎乎的，弹性模量就小。
热膨胀系数呢，则反映了材料受热时“长胖”的速度。
温度变化量就更好理解啦，温差越大，热应力往往也越大。
在实际应用中，可不能生搬硬套公式。
得结合具体的情况，考虑材料之间的结合方式、边界条件等等。
就像前面提到的那个管道，如果只是简单地用公式计算，而忽略了各层之间的粘结强度和实际的工作环境，那得出的结果可能就会和实际情况相差十万八千里。
总之，多层组合材料热应力计算公式虽然复杂，但只要我们认真理解每个参数的含义，结合实际情况仔细分析，还是能够驾驭得了它的。
不然，像那种因为热应力没算准导致的产品故障，可就太让人闹心啦！希望大家在面对多层组合材料热应力计算时，都能胸有成竹，准确无误。
不同对流换热条件下复合材料层合板固化温度场与热应力分析
依据ꎮ
关键词: 树脂基复合材料ꎻ 层合板ꎻ 对流换热系数ꎻ 热应力
中图分类号: ＴＢ３３２ 文献标识码: Ａ 文章编号: ２０９６－８０００(２０２０)０１－０００５－０７
１ 引 言
[１￣３]
ꎮ 因此ꎬ研
研究ꎬ同时也给出相应材料破坏准则的具体形式ꎮ
究树脂基复合材料层合板固化工艺对温度分布、层
田秋实等 [１１] 将降温速率纳入热应力的影响因素进
合板各部分的固化均匀性以及各部分的热应力大小
行研究ꎬ发现降温越快ꎬ材料越容易因为热应力过大
的影响ꎬ可以有效减小复合材料层合板内部的热应
出现损伤ꎮ 陈淑仙等 [１２] 针对不同修补工艺对固化
下层合板固化时的温度场及热应力场进行了数值模拟ꎮ 分析了不同对流换热系数对层合板固化阶段的热应力以及固化后残
余热应力的影响ꎮ 结果表明:上表面施加的对流换热系数越大ꎬ固化过程升温阶段层合板内部的热应力越小ꎬ固化残余热应力
显著减小ꎮ 当施加的对流换热系数由 ５ Ｗ / ( ｍ２Ｋ) 增大到 １０ Ｗ / ( ｍ２Ｋ) 时ꎬ温度和热应力的下降幅度最大ꎮ 研究表明通过引
中国民用航空飞行学院研究生创新项目 ( Ｘ２０１９￣００７)
作者简介: 顾威 (１９９５￣) ꎬ 男ꎬ 硕士研究生ꎬ 研究方向为复合材料热固化方法优化ꎮ
通讯作者: 陈淑仙 (１９７５￣) ꎬ 女ꎬ 博士ꎬ 教授ꎬ 主要从事复合材料热固化方面的研究ꎬ ｂｅｌｌｅｓａｖａｎａ＠１６３ ｃｏｍꎮ
不同对流换热条件下复合材料层合板固化温度场与热应力分析
素来进行研究ꎬ得出材料性质对固化热应力的影响