不同铺层方式对其力学性能的影响规律

复合材料是一种多相材料，由多种性质极不相同的材料组成。先进的复合材料在本世纪60年代初才发明，最具代表性的为聚合物为基的高性能的碳纤维和硼纤维复合材料。

复合材料性能的可设计性，是复合材料所特有的主要优点。纤维复合材料是由两种或两种以上不同强度和模量的材料所构成，在纤维和基体材料选定后，尚有许多材料参数和几何参数可变动，而且形成层合结构时每一层的铺设方向又可随意安排，这样就可以人为的改变组分材料的种类、含量，以及铺层方向和顺序，本文研究了不同铺层方式对其力学性能的影响规律。

1. 模型的建立与计算

如图1所示，给出了层合板的有限元模型，在ansys有多个单元可以模拟复合材料，本文选取SHELL99单元来模拟层合板这个力学模型。本文的层和板共分为四层，每层的厚度为0.002m，长度和宽度都为0.25m。

图1 层合板的有限元模型

图2  层合板的有限元模型的载荷

本文的模型的计算边界条件：四边固定；在面上受到均匀的压力其大小为1e5pa。表1给出了复合材料的性能参数。

图3 铺层方向0/90/45/0的各层的等效应力

图3给出了铺层方向为0/90/45/0的各层的等效应力。由图可知：第一层的最大等效应力为0.117E9Pa；第二层的最大等效应力为0.627E8Pa；第三层的最大等效应力为0.747E8Pa；第四层的最大等效应力为0.114E9Pa。从以上数据可知：层合板的第一层和最后一层的应力最大，第二层的应力最小。

图4给出了铺层方向为0/45/45/0的各层的等效应力。由图可知：第一层的最大等效应力为0.114E9Pa；第二层的最大等效应力为0.739E8Pa；第三层的最大等效应力为0.749E8Pa；第四层的最大等效应力为0.114E9Pa。从以上数据可知：层合板的第一层和最后一层的应力最大，第二层的应力最小。

图4 铺层方向0/45/45/0的各层的等效应力

图5给出了铺层方向为0/90/90/0的各层的等效应力。由图可知：第一层的最大等效应力为0.117E9Pa；第二层的最大等效应力为0.635E8Pa；第三层的最大等效应力为0.635E8Pa；第四层的最大等效应力为0.116E9Pa。从以上数据可知：层合板的第一层和最后一层的应力最大，第二层的应力最小；铺层方向角相同的层其最大等效应力也相同。

图5 铺层方向0/90/90/0的各层的等效应力

图6 铺层方向45/-45/45/-45的各层的等效应力

图6给出了铺层方向为45/-45/45/-45的各层的等效应力。由图可知：第一层的最大等效应力为0.125E9Pa；第二层的最大等效应力为0.639E8Pa；第三层的最大等效应力为0.638E8Pa；第四层的最大等效应力为0.125E9Pa。从以上数据可知：层合板的第一层和最后一层的应力最大，第二层和第三层的等效应力最小。

图7 铺层方向90/45/-45/0的各层的等效应力

图7给出了铺层方向为90/45/-45/0的各层的等效应力。由图可知：第一层的最大等效应力为0.113E9Pa；第二层的最大等效应力为0.789E8Pa；第三层的最大等效应力为0.788E8Pa；第四层的最大等效应力为0.113E9Pa。从以上数据可知：层合板的第一层和最后一层的应力最大，第三层的应力最小。

2 结论

通过以上分析和计算可以得出以下结论：

（1） ansys可以处理复杂的复合材料力学问题。

（2） 在同种载荷和边界条件下，不同的铺层方向对其应力有显著的影响，本文中铺层方向：45/-45/45/-45的等效应力最大；铺层方向为0/90/90/0的等效应力最小。这对实际的复合材料设计有一定的指导意义。

审核编辑：郭婷