基于ABAQUS镀铝碳纤维编织格栅的拉伸性能

来源:用户上传      作者:刘站 李晶 彭镇

　　 摘 要：为探究镀铝碳纤维平纹编织格栅在大变形条件下的力学行为，采用试验与有限元模拟结合的方法，按照国标GB/T 1447―2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》使用电子万能试验机对格栅试样进行拉伸性能测试;在Pro/E中建立格栅试样单胞模型，并导入有限元软件ABAQUS中对其进行拉伸模拟，通过试验数据验证仿真分析的有效性。结果表明：镀铝碳纤维平纹编织格栅具有高度非线性;经纬纱交织处容易产生应力集中，最易发生破坏失效;试验数值曲线与仿真数值曲线上升趋势一致且相差较小，验证了格栅模型仿真分析是可行的，为镀铝碳纤维编织格栅的设计及工程应用提供参考。
　　关键词：镀铝碳纤维编织格栅;拉伸性能;ABAQUS;应力位移
　　中图分类号：TB332
　　文献标志码：A
　　文章编号：1009-265X（2022）01-0047-07
　　Abstract： In order to investigate the mechanical behavior of aluminized carbon fiber plain braided grid under the condition of large deformation， the tensile properties of the grid sample were tested by electronic universal testing machine through the method of experiment combined with finite element simulation according to GB/T 1447-2005 Fiber-reinforced plastics composites-Determination of tensile properties. A unit cell model of the grid sample was established in Pro/E and imported into the finite element software ABAQUS for the subsequent tensile simulation. The validity of the simulation analysis was verified by the test data. The results show that the aluminized carbon fiber plain braided grid is highly nonlinear. The intersections of warp and weft yarns are prone to stress concentration and even destruction and failure. The experimental numerical curve exhibited an upward trend， which was consistent with the simulation numerical curve， and the difference is small. Thus， the feasibility of the simulation analysis of the grid model was verified， providing reference for the design and engineering application of aluminized carbon fiber braided grid.
　　Key words： aluminized carbon fiber braided grid; tensile properties; ABAQUS; stress- displacement
　　碳w维是一种含碳量高于95%的特种纤维材料，因其具有质量轻、强度高等优点，常作为金属基、树脂基等复合材料的增强体使用，目前已广泛应用于汽车工业、航空航天、交通及医疗等领域[1]。金属基碳纤维材料既具有金属的良好塑性和韧性，同时兼备碳纤维的优异力学性能，一直是当前材料领域研究的热点。在高温状态下，金属容易与碳纤维生成金属碳化物，使得材料的性能降低，因此多选熔点较低的金属作为复合材料的基体，如铝/铝合金、镁、铜等，其中铝/铝合金具有较好的延展性、低密度，以及对纤维填充结合的蠕变成型能力强等优点，使得铝/铝合金在发展复合材料中备受青睐。与传统树脂基碳纤维相比，铝基碳纤维复合材料具有耐高温、防辐射、导电性能好等优点。当前军工装备等尖端领域的特殊性，对材料的功能要求更为苛刻，因此开发高性能材料并投入使用迫在眉睫，这也为铝基碳纤维复合材料的发展注入了强劲动力，这也显示出这类材料的巨大应用潜力。镀铝碳纤维是以金属铝为基体，连续碳纤维为增强体，经电镀后使得金属铝附着在碳纤维丝束表面，是铝基碳纤维复合材料的其中一种形式，镀铝碳纤维编织格栅是在镀铝碳纤维丝束的基础上，经编织后得到的结构形式，对其力学性能及应用进行探究具有一定的现实意义。目前，涉及碳纤维的研究多见于层合板与织物形式。因此，探究镀铝碳纤维编织格栅在大变形条件下的力学行为，具有一定的理论意义和实际应用价值。
　　相较于平纹织物，平纹编织格栅在结构上最大的区别在于经纬纱密度较少，且碳纤维复合材料多见于织物形式。因此，在对编织格栅拉伸研究中，可以借鉴织物的拉伸研究方法。目前，已有的研究探讨了碳纤维编织织物单轴拉伸性能，通过编织角度对比分析了其力学性能[2]。随着计算机技术的发展，仿真辅助工具被越来越多地应用在织物的性能预测中，刘倩楠等[3]提出一种评价和预测机织物拉伸性能的方法，通过模拟仿真与织物拉伸实验对比，验证数值模拟结果的有效性;李瑛慧等[4]基于织物周期边界条件理论和纱线拉伸试验，仿真模拟分析了三原织物的拉伸性能。针对不同种类的增强纤维织物，也有学者对其拉伸性能进行了研究，敬凌霄等[5]对增强纱以及涤纶双轴向经编织物和四轴向经编织物各纤维方向进行拉伸性能测试，分析了增强纱拉伸断裂强力和断裂伸长、双轴向和四轴向经编织物拉伸过程中的平均载荷-位移关系曲线，以及织物中的纱线强力利用率。李婉婉等[6]以玄武岩纤维、碳纤维为原料，设计出5种不同混杂比的三维正交织物，利用真空辅助成型工艺制备了乙烯基酯树脂基混杂复合材料，对其拉伸性能进行了测试，重点分析玄武岩纤维在织物中所占比例对复合材料拉伸性能的影响。蒋诗才等[7]制备了一种新型碳纤维复合材料格栅结构，通过试验研究了格栅结构单胞边长以及结构高度对格栅结构吸波/承载的影响，并测试了格栅结构的力学性能。张尉博等[8]通过数值模拟方法，探究格栅结构参数对型面热变形的影响程度。单庆布等[9]分析归纳了碳纤维复合材料格栅结构与金属材料格栅结构传热影响因素与规律。材料拉伸性能是材料最基础的力学性能，反映碳纤维复合材料格栅拉伸性能的研究较少。当前，镀铝碳纤维生产制备工艺复杂，对设备和环境要求严格，是造成镀铝碳纤维的研究较少的原因之一。
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