溫度對碳纖維增強復合材料力學性能的影響

彭惠芬，王 程，王 鵬

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318;2.大慶油田有限責任公司鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163453)

碳纖維增強復合材料是目前最先進的高性能復合材料之一，在航空航天、船舶、石油機械等領域有著廣泛應用。工程應用中諸如風力發電機的葉片［1-5］、深井采油設備中的抽油桿等纖維增強復合材料，在服役期間都不可避免地受到溫度變化影響［6-7］，溫度變化的影響不容輕視。因此，研究不同溫度下纖維增強復合材料的力學行為，具有十分重要的工程實際意義［8］。目前，對碳纖維增強復合材料力學性能的研究主要集中在纖維鋪設方向、基體黏結力、界面力學行為等方面，而溫度對纖維增強復合材料力學行為的研究還不多見［9-11］。為準確估計碳纖維增強復合材料在不同溫度下的力學性能和可靠性，本文利用ANSYS軟件，建立了碳纖維增強復合材料的數值模型，分析了碳纖維增強復合材料應力、變形隨溫度變化規律，為碳纖維增強復合材料在不同溫度條件下的應用提供理論依據。

1 碳纖維增強復合材料數值模擬

以懸臂梁為例，設碳纖維增強復合材料由剛性纖維和樹脂基體組成，其橫截面如圖1所示。橫截面尺寸為0.3 m×0.3 m，長度為3 m，碳纖維材料熱膨脹系數:ax=ay=az=2.02E－6，剛性纖維及樹脂基體材料性能參數見表1。

為簡化計算，假設如下:碳纖維增強復合材料為均質、各向同性的彈性直桿;纖維成正方形陣列排列;假定界面完好，沒有初始缺陷或裂紋。在上述假設基礎上，建立碳纖維增強復合材料有限元模型，利用ANSYS的MPC184單元模擬碳纖維增強材料，SOLID185單元模擬樹脂基體材料，建立碳纖維增強復合材料梁有限元模型，采用Newmark法求解。

表1 碳纖維增強復合材料梁材料參數

2 模擬結果分析

表2為溫差20℃和80℃時，碳纖維增強復合材料梁熱應力分析數值解與解析解的比較。

表2 不同計算方法結果對比

從表2中可以看出:數值解與解析解數據吻合很好，說明本文所建有限元模型的正確性。

表3、表4分別為溫差為2 0℃和80℃時碳纖維增強復合材料梁中性層處位移隨截面位置變化規律。

表3 溫差20℃時復合材料梁中性層各點位移隨截面位置變化規律

表4 溫差80℃時復合材料梁中性層各點位移隨截面位置變化規律

從表3、表4中可以看出:溫度對碳纖維增強復合材料的變形有較大影響。隨著溫度的增大，各截面變形均有顯著增加，各截面隨著x的增加而減小，且固定端截面處上下各點變形不均勻;而自由端處截面變形較小，上下各點變形均勻。

圖2和圖3分別表示復合材料梁邊緣及中性層不同截面處應力隨溫差的變化規律。其中，1線表示固定端處應力隨溫度變化關系曲線，2線和3線分別表示梁中間橫截面和自由端處應力隨溫度變化關系曲線。從圖2中可以看出:復合材料梁邊緣各節點應力均隨溫差增加而增加，其中固定端和中截面處應力受溫度變化影響較大，且變化是非線性的;自由端處應力受溫度變化影響較小，近似線性變化。從圖3中可以看出:復合材料梁中間各節點應力在溫差小于80℃時，各截面處應力均隨溫差增加而增加，當溫差達到80℃后，應力隨溫差增大而降低，這主要由于復合材料中的樹脂達到其軟化溫度，復合材料分子結構會發生改變，使復合材料梁的承載能力顯著降低。

3 結論

1)利用ANSYS軟件建立了碳纖維增強復合材料有限元模型，從數值解與解析解比較可以看出:兩種方法數據吻合很好，這表明所建數值模型的正確性。

2)溫度對碳纖維增強復合材料應力和變形有很大影響:當溫度小于80℃時，碳纖維增強復合材料的應力隨溫度升高呈明顯上升趨勢;當溫度超過80℃時，其承載能力顯著降低;當溫度高于100℃后，應力隨溫度增加變化趨于平緩。

3)碳纖維增強復合材料的變形隨溫度升高呈上升趨勢，不同截面變形規律不同，其中靠近固定端截面處各點變形不均勻，自由端處截面變形較小，且各點變形趨于均勻。

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