摘　要：本文采用ANSYS有限元分析软件，对钢纤维增强树脂基复合材料在制备过程中产生的热残余应力进行数值模拟。重点分析了两种纤维排布对热残余应力的影响。结果表明，单纤维排布模型热残余应力分布比较均匀，工艺上不易导致基体开裂。双纤维排布模型更接近实际情况，热残余应力分布不均匀，容易产生裂纹。研究结果为该类复合材料的制备方法和工艺提供一定的参考依据。
关键词：纤维增强；树脂基复合材料；热残余应力；有限元分析

0　引　言

　　随着科学的发展和人类社会活动范围的扩大，19世纪末，传统的金属、木材、石块等单质材料已经不能满足人们对材料性能的综合要求和高指标要求，复合材料因其具有可设计性的特点而受到重视，得到迅速发展，纤维增强树脂基复合材料因其良好的力学性能在航空航天、造船、汽车、建筑、机床等方而的应用日益广泛。
　　在树脂复合材料铸造制各过程中，由于基体和增强纤维的热膨胀系数相筹很大，当体系由上艺温度冷却至室温时，因基体和纤维的体积收缩率不同，就会产生热残余应力。树脂基复合材料中热残余应力对复合材料的整体性能(如蠕变速率、疲劳寿命等)具有较大影响，因此受到人们的高度重视。以往对残余热应力分析的局限主要原因是分析依据的模型过简，不能如实地反映材料的实际情况。为此，本文以钢纤维树脂基复合材料为研究对蒙，运用有限元方法分析其制备过程中热残余应力问题。
　　本文采用ANSYS有限元分析软件中的Solid45单元，分别用单纤维模型和双纤维模型对钢纤维树脂基复合材料在铸造制备过程中产生的残余热应力进行数值模拟，揭示其分布规律。

1　有限元模型和材料性能参数

　　本文考虑2种纤维排布方式：(1)单纤维模型，如图1(a)所示，中间圆柱代表增强体纤维，外层长方体块代表树脂基体； (2)双纤维模型，如图1(b)所示，中间和四周阴影部分代表增强体纤维，其余部分代表树脂基体。两种模型尺寸参数为：L=20，D=2，1=10，d=1，单位为mm。利用这两种纤维分布模型的对称性，只需采用1/8进行有限元模拟，大大简化分析计算过程。图中虚线所示部分为所取有限元单元。图2(a)、2(b)为对应于图1(a)、1(b)所示的两种纤维排布的有限元模型。对丁双纤维模型，分析中不考虑纤维位向的影响，并假设纤维是单向排列的。以单纤维排布为例，取每根纤维的1/8外加其周围1/8的基体为研究对象，并做以下假设：
　　(1)整个几何体始终保持长方体状态，因此在任何时候C面在其法线方向上的位移必须与D而在其法线上的位移一致。
　　(2)C面在D面法线方向上位移为零，D面在C面法线方向上位移为零，A面边界只须与D面法线方向移动，B面边界只能在C面法线方向移动。
　　假定基体材料服从VonMise屈服准则，表1为增强体钢纤维和树脂基体的材料参数。

2　结果与分析

　　实际工艺铸造过程温度变化大概为由100℃降至20℃，应将参考温度设为100℃，施加温度载荷为20℃。由于采用1/8模型进行数值模拟，应施加对称边界条件。
　　单纤维模型中热残余应力分布云图如图3所示。图3(a)为径向的残余应力分布图。由图可见，纤维内部主要承受压应力，应力值从端而与基体材料结合处沿轴向逐渐减小，然而在另一端而附近承受拉应力，该位置为原纤维的中段。在该截而上圆心处拉应力值大，沿径向向外则应力值逐渐变小。复合材料在冷却过程中，由丁基体的热膨胀系数大于纤维的膨胀系数，使得基体的收缩量大于纤维。因此，纤维将承受压应力，而基体则承受内压力。
　　单纤维模型中环向热残余应力分布云图如图3(b)所示，纤维中仍然主要承受压应力，基体中为拉应力，并且在界而处应力大。如果制备时上艺控制不当，复合材料的界而处就可能产生裂纹。
　　单纤维模型比较理想化，应力分布很均匀，但是与实际复合材料的中的纤维分布情况不相符合，不足以精确地表征复合材料的热残余应力的分布。于是，下面研究双纤维模型，对其进行相同的有限元数值模拟。

　　图4为双纤维模型中热残余应力分布云图。图4(a)为径向的残余应力分布图。由应力云图可看出，双纤维排布时，基体与纤维结合的地方热残余应力分布不均匀。在排布的对角线上靠近界而处的基体呈压应力，而在水平方向和垂直方向靠近界而的小块区域呈拉应力。纤维内部则主要承受压应力，只是在水平方向和垂直方向靠近界而的小块区域的应力值较大。此外，在纤维端而与基体结合处，基体呈较大的拉应力，而纤维呈较大的压应力。由于应力分布不均匀，当复合材料承受横向载荷时，易在水平方向或垂直方向沿界而产生开裂。
　　双纤维排布的环向应力分布也不均匀，如图图4(b)所示，对角线上靠近界面处基体有小块区域呈拉应力，而在水平方向和垂直方向呈压应力。界面处纤维则呈压应力，沿径向逐渐减小。因此，双纤维排布时，容易在基体与纤维结合处产生垂直于界面的裂纹。

3　结　论

　　本文采用ANSYS有限元分析软什中Sonlid45结构单元(四单元八节点)，分析了纤维增强树脂基复合材料在制备过程中产生的热残余应力。结果表明，单纤维排布模型热残余应力分布比较均匀，工艺上不易导致基体开裂。双纤维排布模型的热残余应力分布不均匀，容易产生裂纹，对复合材料的性能产生不利影响。而双纤维排布更接近实际情况。因此，在复合材料制备过程中，应考虑适当的制备方法和上艺参数，将热残余应力的不利影响减小到低。