UH_L/EP复合材料吸湿行为及吸湿应力的有限元分析

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纤维增强复合材料具有高强、轻质、耐腐蚀、非磁性等特点,超高分子量聚乙烯纤维增强环氧树脂基(UHL/EP)复合材料作为复合材料的一个重要品种,以其优良的综合性能,在国民经济、国防建设等各个领域逐渐获得了较广泛的应用。然而,UHL/EP复合材料在自然环境中使用或贮存时受湿热因素的影响显著。长期处在湿热环境下,就会产生湿热老化效应,使得复合材料的压缩、弯曲、层间剪切等力学性能大幅下降,从而降低材料的使用寿命。其中由于吸湿而产生的吸湿应力是造成复合材料性能下降的主要因素之一。本文采用ABAQUS有限元软件,对UHL/EP复合材料的吸湿过程进行了模拟计算,得到了水分浓度场变量,并将其读入结果文件,为后续的吸湿应力模拟计算打下初步基础。对两种纤维分布模型(标准六边形模型与随机分布模型)以及不同温度下复合材料的吸湿过程进行了模拟计算。结果表明:两种模型的吸湿过程都符合Fick扩散定律,前者吸湿达到饱和的时间少于后者,但后者更符合实际情况,也与实验结果吻合地较好。在高温下材料更早达到吸湿饱和,平衡吸湿率和扩散系数也远大于低温。将前一步的水分浓度场作为场变量载入,运用ABAQUS的热分析模块对两种纤维分布模型以及不同温度下模型的吸湿应力场进行了模拟计算,研究不同时刻下复合材料内部的应力分布及变化规律。结果表明:随着吸湿时间的延长,复合材料内部吸湿应力逐渐增加,最大应力出现在纤维聚集最密集的基体区域。纤维随机分布模型的应力水平要明显高于纤维按正六边形分布模型,高温下的吸湿应力远高于低温。吸湿过程的有限元模拟结果与实验结果吻合较好,验证了ABAQUS有限元软件模拟纤维增强复合材料吸湿行为的可行性,从而可以克服实验方法周期长的弊端。对吸湿产生的吸湿应力分布规律的分析则可为后一步的复合材料在湿热条件下的损伤机制及疲劳破坏机制的研究提供理论依据。
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