雒志強 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行分析，建模過程中分別采用實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度、高比強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，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。而且這個研究方向是一個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)取得了重大進展，但是在實際工程問題分析中，有許多問題應(yīng)用理論求解時時非常困難的，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體單元和殼單元，兩種不同的單元建立的。首先介紹實體單元有限元模型的建立。實體單元建立模型時進入Part模塊，選擇三維，實體，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，采用實體單元建模的時候，采用的是實體拉伸，點擊繼續(xù)進入草圖編輯界面。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。分為三層時采用的方法如下所示：首先要創(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)建殼單元步驟與實體單元相同，不同之處在于殼單元創(chuàng)建時Shell模塊下創(chuàng)建的。創(chuàng)建殼單元的時候，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，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，接下來需要創(chuàng)建截面，創(chuàng)建截面完成之后進行指派截面。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/夾層板的單元劃分

由于在創(chuàng)建層合板/夾層板模型時，分別采用了實體單元和殼單元，兩種不同的單元類型，所以在劃分網(wǎng)格的時候也是采用不同的類型。實體單元采用的網(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，在計算應(yīng)力應(yīng)變時非常準(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，在計算應(yīng)力應(yīng)變時非常準(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：計算熱膨脹問題時所采用的載荷為，當(dāng)計算熱彎曲問題時，施加的熱載荷為。

3 復(fù)合材料層合板/夾層板有限元計算及分析

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行結(jié)構(gòu)計算并且進行結(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行計算分析。

進行熱膨脹和熱彎曲的計算之前首先需要進行溫度場的計算，然后將溫度場的分布導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的內(nèi)部計算結(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進行熱應(yīng)力和熱變形的計算。

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，分別采用實體單元和殼單元進行仿真，其結(jié)果與精確解進行對比?；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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