极小级分析中纤维分布模型
微观级分析在理论上是可行的,但实际上并不可行。这是因为玻璃在复合材料中的排列具有不确定性,纤维排列虽然总体平行,但成千上万条纤维随机分布,方向具有半随机性,长度也随机变化。这种情况下意味着只能在统计学基础上才能准确评价样本,而详细的有限元分析是不合适的。
对于极小级分析,认为层压板的层为连续材料(因此这种方法一般被称为“连续介质方法”),通过对假设横截面,如平均截面进行积分来评估材料性质和失效模式。该假设认为纤维分布对材料参数的确定具有重要影响。最常见的两种分布假设是方形分布和六角分布,一般认为六角分布更好地表现了随机分布纤维。
对于视为连续截面的应力应变关系如下式:
eaa = saa/EL - (VL/EL)sbb - (VL/EL)scc
ebb = -(VL/EL)saa + sbb/ET - (VT/ET)scc
ecc = -(VL/EL)saa - (VT/ET)sbb + scc/ET
eab = tab / 2 GL
ebc = tbc / 2 GT
eac = tac / 2 GL
式中:
eij = 在面 j 中沿 i 向的应变
sij, tab = 在面 j 中沿 i 向的应力(正应力、剪切应力)
EL = 层压板层的纵向弹性模量
VL = 层压板层的纵向泊松比
ET = 层压板层的横向弹性模量
VT = 层压板层的横向泊松比
GL = 层压板层的纵向剪切弹性模量
GT = 层压板层的横向剪切弹性模量
这些关系式要求估算连续介质的四个弹性模量 EL、ET、GL、GT 及两个泊松比 VL 和 V。为了估算这些参数,展开了广泛的研究(参考文献 4~10)。通常认为纵向各项可以精确地计算得到;在纤维刚度远远超过基质的情况下,纵向项为:
EL = EF f + EM(1 - f)
GL = GM + f/ [ 1 / (GF - GM) + (1 - f) / (2GM)]
VL = VFf + VM(1 - f)
然而,横向参数无法计算。只能计算上下限。结合经验数据得到近似值(参考文献 5 和 6):
ET = [EM(1+0.85f2) / {(1-VM2)[(1-f)1.25 + f(EM/EF)/(1-VM2)]}
GT = GM (1 + 0.6Öf) / [(1 - f)1.25 + f (GM/GF)]
VT = VL (EL / ET)
运用这些参数可用于完善均质材料模型,以有助于计算作用于层压板层上的纵向应力和横向应力。利用微观分析过程中建立的关系式将应力结果分配至各个纤维和基质中。