摘　要：本文采用ANSYS有限元分析軟件，對鋼纖維增強樹脂基復合材料在制備過程中產生的熱殘余應力進行數值模擬。重點分析了兩種纖維排布對熱殘余應力的影響。結果表明，單纖維排布模型熱殘余應力分布比較均勻，工藝上不易導致基體開裂。雙纖維排布模型更接近實際情況，熱殘余應力分布不均勻，容易產生裂紋。研究結果為該類復合材料的制備方法和工藝提供一定的參考依據。
關鍵詞：纖維增強；樹脂基復合材料；熱殘余應力；有限元分析

0　引　言

　　隨著科學的發展和人類社會活動范圍的擴大，19世紀末，傳統的金屬、木材、石塊等單質材料已經不能滿足人們對材料性能的綜合要求和高指標要求，復合材料因其具有可設計性的特點而受到重視，得到迅速發展，纖維增強樹脂基復合材料因其良好的力學性能在航空航天、造船、汽車、建筑、機床等方而的應用日益廣泛。
　　在樹脂復合材料鑄造制各過程中，由于基體和增強纖維的熱膨脹系數相籌很大，當體系由上藝溫度冷卻至室溫時，因基體和纖維的體積收縮率不同，就會產生熱殘余應力。樹脂基復合材料中熱殘余應力對復合材料的整體性能(如蠕變速率、疲勞壽命等)具有較大影響，因此受到人們的高度重視。以往對殘余熱應力分析的局限主要原因是分析依據的模型過簡，不能如實地反映材料的實際情況。為此，本文以鋼纖維樹脂基復合材料為研究對蒙，運用有限元方法分析其制備過程中熱殘余應力問題。
　　本文采用ANSYS有限元分析軟件中的Solid45單元，分別用單纖維模型和雙纖維模型對鋼纖維樹脂基復合材料在鑄造制備過程中產生的殘余熱應力進行數值模擬，揭示其分布規律。

1　有限元模型和材料性能參數

　　本文考慮2種纖維排布方式：(1)單纖維模型，如圖1(a)所示，中間圓柱代表增強體纖維，外層長方體塊代表樹脂基體； (2)雙纖維模型，如圖1(b)所示，中間和四周陰影部分代表增強體纖維，其余部分代表樹脂基體。兩種模型尺寸參數為：L=20，D=2，1=10，d=1，單位為mm。利用這兩種纖維分布模型的對稱性，只需采用1/8進行有限元模擬，大大簡化分析計算過程。圖中虛線所示部分為所取有限元單元。圖2(a)、2(b)為對應于圖1(a)、1(b)所示的兩種纖維排布的有限元模型。對丁雙纖維模型，分析中不考慮纖維位向的影響，并假設纖維是單向排列的。以單纖維排布為例，取每根纖維的1/8外加其周圍1/8的基體為研究對象，并做以下假設：
　　(1)整個幾何體始終保持長方體狀態，因此在任何時候C面在其法線方向上的位移必須與D而在其法線上的位移一致。
　　(2)C面在D面法線方向上位移為零，D面在C面法線方向上位移為零，A面邊界只須與D面法線方向移動，B面邊界只能在C面法線方向移動。
　　假定基體材料服從VonMise屈服準則，表1為增強體鋼纖維和樹脂基體的材料參數。

2　結果與分析

　　實際工藝鑄造過程溫度變化大概為由100℃降至20℃，應將參考溫度設為100℃，施加溫度載荷為20℃。由于采用1/8模型進行數值模擬，應施加對稱邊界條件。
　　單纖維模型中熱殘余應力分布云圖如圖3所示。圖3(a)為徑向的殘余應力分布圖。由圖可見，纖維內部主要承受壓應力，應力值從端而與基體材料結合處沿軸向逐漸減小，然而在另一端而附近承受拉應力，該位置為原纖維的中段。在該截而上圓心處拉應力值大，沿徑向向外則應力值逐漸變小。復合材料在冷卻過程中，由丁基體的熱膨脹系數大于纖維的膨脹系數，使得基體的收縮量大于纖維。因此，纖維將承受壓應力，而基體則承受內壓力。
　　單纖維模型中環向熱殘余應力分布云圖如圖3(b)所示，纖維中仍然主要承受壓應力，基體中為拉應力，并且在界而處應力大。如果制備時上藝控制不當，復合材料的界而處就可能產生裂紋。
　　單纖維模型比較理想化，應力分布很均勻，但是與實際復合材料的中的纖維分布情況不相符合，不足以精確地表征復合材料的熱殘余應力的分布。于是，下面研究雙纖維模型，對其進行相同的有限元數值模擬。

　　圖4為雙纖維模型中熱殘余應力分布云圖。圖4(a)為徑向的殘余應力分布圖。由應力云圖可看出，雙纖維排布時，基體與纖維結合的地方熱殘余應力分布不均勻。在排布的對角線上靠近界而處的基體呈壓應力，而在水平方向和垂直方向靠近界而的小塊區域呈拉應力。纖維內部則主要承受壓應力，只是在水平方向和垂直方向靠近界而的小塊區域的應力值較大。此外，在纖維端而與基體結合處，基體呈較大的拉應力，而纖維呈較大的壓應力。由于應力分布不均勻，當復合材料承受橫向載荷時，易在水平方向或垂直方向沿界而產生開裂。
　　雙纖維排布的環向應力分布也不均勻，如圖圖4(b)所示，對角線上靠近界面處基體有小塊區域呈拉應力，而在水平方向和垂直方向呈壓應力。界面處纖維則呈壓應力，沿徑向逐漸減小。因此，雙纖維排布時，容易在基體與纖維結合處產生垂直于界面的裂紋。

3　結　論

　　本文采用ANSYS有限元分析軟什中Sonlid45結構單元(四單元八節點)，分析了纖維增強樹脂基復合材料在制備過程中產生的熱殘余應力。結果表明，單纖維排布模型熱殘余應力分布比較均勻，工藝上不易導致基體開裂。雙纖維排布模型的熱殘余應力分布不均勻，容易產生裂紋，對復合材料的性能產生不利影響。而雙纖維排布更接近實際情況。因此，在復合材料制備過程中，應考慮適當的制備方法和上藝參數，將熱殘余應力的不利影響減小到低。