清华大学姚学锋教授团队：3D打印连续纤维增强热塑性复合材料宏细微观多尺度分析(2)

时间：2021-12-30 09:43 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

为了能够实现对整体CFRTPCs试件的力学分析，需要建立随机纤维代表性体积单元，如图4所示。基于已知的ABS热塑性树脂和T300碳纤维的力学性能，获得树脂与纤维的混合物的平均物理参量。

图4 碳纤维体积分数为30%的纤维随机分布的代表性体积单元

对3D打印得到的CFRTPCs进行力学分析，需要将获得的CFRTPCs试件的形貌输出并导入固体分析软件中。对试件的两端设置边界条件，令其一端固定，另一端沿着Z轴正方向以2mm/min的速度拉伸。本文描述的打印流程和材料参数与文献中实验中的参数相同，将两种方法得到的应力应变曲线对比，结果如下：实验中得到的3D打印的CFRTPCs的模量和强度分别为62.5GPa和986MPa，采用本文有限元方法获得的试件模量与强度分别为64.72GPa和1001.17MPa，其对应的误差分别为3.55%和1.54%。结果表明本文提出的模拟手段可以对3D打印CFRTPCs的模量和强度给出很好的预测。

将CFRTPCs中心位置的主承力区域放大，临近失效时沿着纤维方向及垂直于纤维方向的损伤分布由图5给出。试件的损伤首先发生在两个珠粒之间的区域。这是由于在3D打印规则的椭圆形过程中，在孔洞缺陷附近将发生应力集中，造成试件首先在该区域发生损伤。随后，若CFRTPCs继续受力，由于复合材料不同方向的强度特征，试件会沿着纤维方向开裂。

图5 宏观CFRTPCs的损伤分布

该论文以Multi-scale analysis for 3D printed continuous fiber reinforced thermoplastic composites为题发表在《Composites Science and Technology》上。在清华大学姚学锋教授的指导下，重庆大学弘深青年教师付宇彤为本文的第一作者。通讯作者清华大学姚学锋教授目前主要从事先进复合材料结构、航空橡胶密封结构、飞机增升装置、高通量设计、实验力学与无损检测等研究领域的科学研究工作。参与大型飞机C919、C929及支线客机ARJ21的重大科研攻关项目。兼任中国复合材料学会常务理事、中国力学学会实验力学专业委员会委员、《Composite Structures》《Composites Part C》《力学季刊》《现代机械》等编委。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21004218?via%3Dihub

(责任编辑：admin)

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