树脂膜浸渍法制备单向纤维增强聚合物复合材料的细观模拟表征外文翻译资料

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树脂膜浸渍法制备单向纤维增强聚合物复合材料的细观模拟表征

阿卡什·维玛，斯里坎特·维丹塔姆，基兰·阿凯拉，斯里尼瓦桑·M·西瓦库马尔

摘要：树脂膜注塑(RFI)工艺用于制造承重用大而厚的单向纤维增强聚合物(UD FRP)复合材料结构。设计这些承重结构需要了解这些复合材料的有效弹性和强度特性。本研究采用细观力学建模方法，对RFI工艺制备的UD玻璃钢的强度和刚度特性进行了预测。采用具有六角排列纤维的三维代表性体积单元(3DRVE)，预测了UD FRP复合材料的全部9个弹性常数。纤维和树脂的破坏模型用于预测纵向拉伸/压缩、横向拉伸/压缩和纵向剪切强度。

对RFI工艺制备的UD玻璃钢复合材料进行了强度和刚度试验。将实验结果与仿真结果进行了比较，验证了结果。

关键词：细观力学建模，代表性体积元素树脂膜输液，单向纤维增强聚合物周期边界条件

1. 介绍

连续纤维复合材料正在取代传统的结构材料，如钢，用于负载应用[1]。制造过程如树脂膜注射和真空辅助树脂转移模塑是用于制造大型和厚FRP复合结构，可用于承载应用。设计这些结构需要了解复合材料的力学行为。计算微观力学已经成为研究复合材料力学行为的有力工具。

Prabha 等[2]预测了不同加载条件下连续纤维增强复合材料损伤的发生和扩展。Nithin等[3]采用纤维随机分布的重复单元单元，预测了UD FRP中不同的损伤机制，如基体损伤、纤维破坏和纤维-基体界面破坏。金等[4]提出了将复合材料的名义应力与纤维和基体的微机械应力联系起来的应力放大系数。Ha等[5]发展了破坏的微观力学(MMF)方法，通过应力放大系数计算构件的微观应力。微观应力被用来预测失效起始。黄等[6]采用六角形纤维阵列的代表性体积单元，对UD玻璃钢的MMF进行了数值模拟，并预测了三轴破坏包络。

利用细观力学模型对UD FRP的强度和刚度特性进行了预测。Sun等[7]用代表性体积元预测UD FRP的弹性性能。Orkele 等[8]采用纤维随机分布的3DRVE模型，预测了UD FRP复合材料的9个弹性常数。冈萨雷斯等。[9]通过微观力学模型研究了UD FRP在横向压缩下的力学行为。Yang等[10]通过微观力学模型预测了UD FRP的平面和横向抗剪强度。然而，利用细观力学模型作为虚拟测试工具来表征采用RFI工艺制备的UD FRP样品，在文献中还没有尝试。

在本研究中，我们使用一种具有六边形排列的纤维的3DRVE来表征通过RFI法制造的UD复合材料。具有六角排列纤维的3DRVE保留了UD FRP的横向各向同性，并且与方形RVE相比具有更强的预测能力[11]。纤维被认为是各向同性的脆性纤维。基体被认为是各向同性和延性的。建立了构件的失效模型来预测构件的强度。基体失效采用修正的Drucker Prager准则，纤维失效采用Rankine准则。本研究假设纤维与基体之间存在良好的粘接性能。当界面强度通过表面处理得到充分提高时，完美的粘接假设是合理的。通过实验验证了该方法预测的强度和刚度特性。

1. 树脂膜注射法

RFI工艺[1]用于制造大、厚复合材料结构。在RFI工艺中，树脂以薄膜的形式制成并切割成所需的尺寸。将树脂膜置于织物上，在树脂膜的两侧用织物制成夹层。按照三明治结构相互堆叠，以获得所需厚度的层压板。模具上的堆垛在烘箱中采用真空装袋工艺进行固化。样品置于烤箱中，以20°C/min的速度加热至80°C。样品在80°C下保持30分钟，直到树脂融化并通过织物注入。固化时，将样品加热至120°C并保持60分钟。然后，样品被移出并拆除。

1. 微机械建模(3DRVE)

建立了具有六边形纤维阵列的三维体元模型。RVE如图1所示，在RVE上应用了Li[11]提出的周期边界条件。边界条件在方程中给出。(1)- (3)。

(1)

(2)

(3)

u、v、w分别为X、Y、Z方向的位移，EO为均匀化应变。作者在之前的工作[12]中详细描述了均匀化应力和不同加载条件下的有效性能。均质应变，如公式(1)-(3)所示，通过施加在“虚拟节点”的规定位移边界条件，作为外部载荷施加到RVE。虚拟节点不是RVE结构的一部分。

Y

2c

Z

2a

2b

图1.六角形阵列的代表性体积元素[12]。

在虚拟节点Rf上得到的反应除以截面面积a*b得到均匀化应力(r)，如公式(4)所示。

(4)

1. 各组分材料模型
   1. 纤维材料模型

将纤维模型化为具有脆性破坏的弹性各向同性材料。由于纤维断裂是脆性的，Rankine失效准则用于建模纤维失效，如公式(5)所示。

(5)

R1为最大应力，Rf为纤维中的破坏应力。

• 1. 基体材料模型

将基体建模为各向同性延性材料。然而，观察到基体在拉伸和压缩时的强度不同，这表明破坏也取决于应力的静水分量。因此，应采用与压力有关的失效准则，如Drucker Prager或Mohr Coulomb。Ha 等[5]提出了修正的Von Mises准则，该准则考虑了应力的流体静力分量的影响。如下列公式中所示(6)- (8)。

(6)

(7)

(8)

其中RVM Von Mises为应力，I1为静水压力，cm和Tm分别为基体的抗压强度和抗拉强度。

假设基体在失效后的行为是完全塑性的。

1. 结果与讨论
   1. 建模方法的验证

通过对3DRVE进行有限元分析，得到UD FRP的强度和刚度特性，并与已发表的实验结果进行对比，验证了建模方法。在作者[12]之前的工作中已经描述了3DRVE对UD FRP刚度特性的预测能力，并将3DRVE的有限元分析结果与实验结果进行了比较。在本研究中，通过横向抗压强度和平面抗剪强度与已发表的试验数据进行对比，验证了建模方法和破坏模型。通过模拟和实验[6]得到的应力应变曲线在图2中横向压缩和图3中平面内剪切进行了比较。可以看出，直至失效开始，实验结果与仿真结果吻合较好。损伤进展阶段的结果存在偏差。造成这一偏差的原因是由于在本研究中，假设基体在失效开始后是完全塑性的。损害进展模型的研究工作仍在进行中。

图2.从3DRVE模拟得到的横向压缩应力应变曲线与实验的比较[6]。

图3.3DRVE模拟得到的平面内剪切应力应变曲线与实验结果的比较[6]。

• 1. RFI法生产UD玻璃钢的性能表征

5.2.1.RFI样品的细观力学建模表征

通过模型方法验证(第5.1节)，使用3DRVE对RFI法生产的UD FRP复合材料的9个弹性常数、纵向拉伸/压缩、横向拉伸/压缩、面内剪切强度进行了预测。RFI工艺使用的面料是500GSM的Chomarat8033E玻璃纤维。树脂采用环氧树脂。制备样品的纤维体积分数为55%。表1为E -玻璃纤维的力学性能。环氧树脂基体的力学性能如表2所示。组成纤维和基质的性质取自[6]。RVE在不同加载条件下的变形和未变形形态如图4所示。

纵向拉伸和压缩的应力应变曲线如图5和图6所示。在纵向上，纤维和基体的公称应变相等。由于纤维的破坏应变比基体低得多，所以纤维在纵向拉伸或压缩时首先发生破坏。当纤维失效时，复合材料发生脆性破坏。

当横向载荷作用于复合材料时，基体和纤维中的应力相等。由于纤维的强度远大于基体，所以失效发生在基体或界面上。通过3DRVE的有限元分析得到的UD GFRP横向受拉和受压的应力应变曲线分别如图7和图8所示。对于横向拉伸载荷，应力应变曲线为线性弹性，直到0。8%的应变(63 MPa应力)之后，曲线的斜率发生变化，表明破坏已经开始。在目前的研究中，破坏开始的应力被认为是强度。同样对于横向压缩，应力应变曲线为线弹性，直到1.5%应变，120N/m2应力。2在此之后，表明破坏开始的曲线的斜率发生了变化。

复合材料的面内剪切破坏是由界面脱粘引起的，最终破坏是由基体损伤引起的[10]。平面加载下的应力应变曲线如图9所示。可以看出，在1.2%应变和54N/m2应力下，破坏开始的应力-应变曲线。

表1

E-玻璃纤维的材料特性[6]

表2

环氧树脂基体的材料特性

图4.(a)纵向法向荷载，(b)横向法向荷载，(c)纵向剪切荷载，(d)横向剪切荷载[12]

图5.通过对3DRVE的有限元分析，得到了纵向拉伸下的应力应变曲线。

图7.由3DRVE有限元分析得到的横向拉伸应力应变曲线。

图9.3DRVE有限元分析得到的面内剪切应力应变曲线

5.2.2.RFI样品的实验表征

对采用RFI工艺制备的试样进行了[1]实验，确定了RFI试样的模量和强度特性。实验在10kN称重传感器容量的伺服液压万能试验机上进行。拉伸和压缩的样品分别按照ASTM D3039和ASTM D3410的要求制作和测试。按照ASTM D3518的要求，通过离轴拉伸试验对平面内剪切试样进行了测试。在试样上附加了拉伸仪以测量杨氏模量。通过实验得到的模量与3DRVE的FE分析结果的比较如表3所示。UD FRP复合材料是横向各向同性的。因此，考虑关系式Eyy=Ezz，Gxy=Gxz。可以看出，纵向模量、面内剪切量和泊松比的实验模量与模拟模量吻合较好。

与实验数据相比，横向模量略有偏差。这是因为横向特性对纤维的空间分布比纵向特性更敏感[3]。本研究认为纤维的分布是规则的。

通过试验得到的不同加载方向的强度与3DRVE的FE分析结果对比如表4所示。这里还考虑了考虑UD FRP复合材料横向各向同性的关系式Eyy=Ezz，Gxy=Gxz。可以看出，纵向拉伸/压缩和横向压缩的实验值和模拟值基本一致。横向拉伸和面内剪切的预测值误差较大。这是因为横向拉伸载荷和平面剪切的破坏取决于界面强度。在本研究中，我们考虑了纤维与基体的完美结合。

表3

3DRVE有限元分析的弹性性能与实验结果的比较

表4

3DRVE有限元分析与试验强度特性的比较.