案例-不同铺层顺序对GO-CF/BF混杂增强复合材料微观组织及弯曲性能的影响

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案例给到了一种研可行的研究方法，思路：采用仿真分析与试验验证对真空浸渗热压成型工艺(VIHPS)制备的GO CF/BF混杂增强复合材料的微观组织与弯曲性能进行了探究。首先用扫描电镜对GO-CF/BF混杂增强复合材料微观组织进行表征，并用COMSOL软件对其浸渗效果进行仿真。然后将DIGIMAT软件建立的代表性体积单元模型导入ANSYS进行三点弯曲仿真。

研究机构、学校学生发文章可以适用试试文章的思路。

铺层顺序对GO-CF/BF浸渗效果的影响

COMSOL仿真

仿真流程

利用多孔介质理论研究不同铺层顺序对GO-CF/BF混杂增强复合材料浸渗效果的影响规律。在模拟计算之前，通过扫描提取的方法构建不同的模型。首先，对复合材料进行微观组织形貌表征，从图像中提取纤维的分布。其次，在COMSOL软件中，选择二维模型中的两相流，将“层流”与“相场”接口相结合。根据提取的复合材料微观组织形貌建立湿相与非湿相的两相流模型，其中湿相是纤维表面涂抹的基体溶液，而非湿相是纤维与纤维间的孔隙。将两相流的属性映射到复合材料相应的区域上，通过联合体构建和复合边形成，运用求和与差集操作精确获取目标模型部位。然后选择材料属性并设置流体参数：密度为1.36 g·mm-3，动力粘度为0.562 Pa·s等，指定模型的进出口，设置入口压力为0.5 MPa，选择其边界、初始值域等，设置两种纤维边界的浸润角。在多物理场接口中，设定流体的相态属性，如密度和粘度。随后，系统会自动创建有限元网格。最后计算仿真结果。仿真流程如图所示。通过该方法分别对不同的纤维分布的模型进行模拟，并与微观组织样貌图进行对比分析，从而得到浸渗效果最优的铺层顺序。

COMSOL仿真结果

基于复合材料的微观组织样貌图，利用COMSOL软件对GO-CF/BF混杂增强复合材料进行仿真模拟。仿真结果如图5所示，其中白色部分为纤维分布，浸渗效果右侧表示固化混合溶液的体积分数，颜色越深表明固化溶液的体积分数越高，浸渗效果越好。从图(a)中可以看出当铺层顺序为CCCBBB时，大部分区域基体体积分数较高，表明浸渗效果较为理想，但仍有小部分区域浸渗效果较差，使得材料内部产生孔洞缺陷，这主要是因为该处附近的纤维较为密集，出现了团聚现象，基体溶液难以进入该区域。铺层顺序为CBBBCC如图(b)所示，此时上方与下方碳纤维区域固化溶液体积分数相对中间玄武岩纤维区域较小，不同纤维区域间浸渗效果相差较大，从而削弱了复合材料内部的热量与力的传递，使得复合材料整体性能下降。铺层顺序为BBBCCC如图(c)所示，可以观察到碳纤维区域相较玄武岩纤维区域被更多的基体所包裹，表明碳纤维区域的浸渗效果更为充分。铺层顺序为BCBCBC如图(d)所示，从中可见基体溶液在材料内部有较高的体积分数，并且分布均匀，这表明在此铺层顺序下浸渗效果最优。

不同铺层顺序GO-CF/BF混杂增强复合材料的COMSOL浸渗仿真图

GO-CF/BF混杂增强复合材料微观表征分析

由于碳纤维与玄武岩纤维的密度存在差异，在纤维层数相同条件下，玄武岩区域的孔隙率相比碳纤维区域高，因此GO-CF/BF混杂增强复合材料的孔隙率将随着铺层顺序的改变而发生变化，不同铺层顺序的复合材料微观形貌如图所示。当铺层顺序为CCCBBB时，复合材料的微观浸渗形貌如图(a)所示，表面的碳纤维被基体紧密的包裹，从侧面观察，纤维束的端口被基体牢固地粘结，这种结构没有出现明显的孔洞或缺陷。图(b)为GO-CF/BF混杂增强复合材料在CBBBCC铺层顺序下的微观组织形貌，此时在上方的碳纤维表面观察到有少量的基体附着，纤维之间存在明显的缝隙。玄武岩纤维位于中间区域，呈现亮白色。下方的碳纤维被基体紧密包裹，纤维间的缝隙已被基体填充。这是因为在挤压力和重力的作用下，基体自上而下浸渗。并且玄武岩纤维的单丝间缝隙较碳纤维的单丝间缝隙大，导致底部碳纤维的浸渗效果优于顶部。铺层顺序为BBBCCC时，GO CF/BF混杂增强复合材料的微观形貌如图(c)所示。玄武岩纤维主要以簇状结构粘结，少量的玄武岩纤维之间存在缝隙。在虚线下方的碳纤维区域，其端口表面被大量的基体包裹，浸渗效果相比玄武岩纤维区域要更充分，这是由于碳纤维相比玄武岩纤维有更好的吸附能力，从而碳纤维表面粘附大量基体。然而，仍有少量的碳纤维之间存在缝隙。当铺层顺序为BCBCBC时，复合材料的微观浸渗形貌如图(d)所示，玄武岩纤维与碳纤维均被基体紧密包裹，且相邻纤维之间未观察到缝隙缺陷，与 COMSOL仿真结果一致。这主要是因为碳纤维与玄武岩纤维交替排列使得纤维间的孔隙分布更加均匀，且这种纤维交替排列的铺层顺序可能导致基体在浸渗过程中受到不同的压力与阻力，使其内部产生较大的压力梯度，从而使复合材料浸渗充分。

不同铺层顺序GO-CF/BF混杂增强复合材料的微观形貌图

铺层顺序对GO-CF/BF混杂增强复合材料弯曲性能的影响

复合材料失效准则

复合材料层合板是由若干层单层板按特定的铺层顺序与铺层角度粘合而成。相比于单层板，层合板的力学性能取决于单层板性能与铺层方式，具有良好的可设计性。在复合材料结构设计的经典层合板理论框架下，首先基于所给定的单层板弹性性能参数及其铺层方式，通过计算得出各层合板的刚度与柔度模量，并进一步确定每一单层板中的应力与应变分布。随后，根据选定的失效准则来评估单层板的破坏载荷，从而确定极限强度。

针对GO-CF/BF混杂增强复合材料层合板，当承受的载荷超过了材料的强度时会发生失效破坏。蔡-吴（Tsai-Wu）准则综合考虑了复合材料在纤维方向的拉伸与压缩强度、垂直于纤维方向的强度，以及材料的纵向剪切强度。该准则在使用时考虑了纤维、基体的拉伸与压缩性能。根据这一准则，在应力空间中表面破坏存在下列形式，如式所示。

蔡-吴强度理论的失效准则函数为

复合材料细观力学理论

复合材料的宏观力学性能，如刚度与强度，以及其失效机制，均深受其细观结构特征与组分材料的属性所影响。细观力学的建立需具备以下假设条件：(1)单向复合材料具有宏观均匀性、线弹性，无初应力；(2)纤维为横观各向同性、线弹性，基体为均匀性、各向同性、线弹性；(3)纤维与基体间的粘结效果理想，复合材料所含孔隙与初始微裂纹总体积之和小，可忽略不计[25]。假设复合材料内有一微小的代表性体积单元(Representative Volume Element，RVE)，在该单元体积内含有纤维和基体，对于GO-CF/BF混杂增强复合材料，将碳纤维与玄武岩纤维看成圆柱状均匀地排列在基体材料中，如图所示。

根据Eshelby 等效夹杂理论（Eshelby Equivalent Inclusion），现将GO看作夹杂，EP视为基体的一种模型。当设定GO-CF/BF混杂增强复合材料的边界上受到远场均匀应力为σ0时，另有一种形状与弹性性质与上述复合材料相同的均质材料，在同等外力条件下，基体材料中的平均应力σm为：

GO-CF/BF混杂增强复合材料微观三点弯曲力学模型

在DIGIMAT软件环境中，为了构建GO-CF/BF混杂增强复合材料的数值模型，首先对复合材料的微观结构进行表征，即分别定义CF、BF、EP和氧化GO不同的微观相。CF与BF设置为Continuous fiber 相、EP设置为Matrix相、GO设置为Inclusion相，并在Continuous fiber相、Matrix相、Inclusion相中设置相应的参数，具体如下：在Type中将Interface behavior设置为Perfectly bonded，Phase material设置为CF；在 Parameters中将CF的质量分数设置成10%，Diameter定义为7×10-3 mm，Orientation选择Fixed项，其中θ=90°，Φ=0°。同理对BF建立的过程和参数也一样，其中BF的Diameter定义为1.2×10-2 mm。 GO质量分数设置为0.05%，Size设置为0.335 nm，Orientation设置为Random 3D。根据上述建立过程，在RVE选项中设置6层结构，每一层都重复上述的相定义和参数设置过程，以构建一个完整的RVE模型。CF、BF、GO和EP在DIGIMAT软件中的相关性能参数如表所示，GO-CF/BF混杂增强复合材料微观力学模型选用Mori-Tanaka模型。

GO、CF、BF与EP的相关性能参数

为研究不同铺层顺序对GO-CF/BF混杂复合材料弯曲性能的影响，需要构建4种不同铺层顺序的细观力学模型，如图(a)~(d)所示。在这些模型中，CF、BF与GO呈现随机分布，图(e)为局部放大视图，用以展示这一微观结构的特征。

不同铺层顺序的GO-CF/BF混杂增强复合材料的RVE模型

GO-CF/BF混杂增强复合材料仿真与试验结果分析

仿真流程

ANSYS中的三点弯曲仿真主要用于模拟和分析材料在弯曲载荷作用下的行为。将ANSYS软件的前/后处理模块 (ANSYS Composite PrePost，ACP)、Static Structural模块关联共享，根据Tsai-Wu强度准则判定GO-CF/BF混杂增强复合材料层合板试样是否弯曲失效。通过这些综合分析，揭示了GO-CF/BF混杂增强复合材料在受到弯曲载荷时的力学响应特征，相关流程如下：

(1)导入模型: 在ANSYS的预处理模块中导入由DIGIMAT-FE软件生成的层合板实体单元RVE模型。随后，建立与实验设置相对应的压头和支座的模型，如图所示。

GO-CF/BF混杂增强复合材料的三点弯曲仿真模型

(2)设置材料属性: 在ANSYS软件中，对RVE模型各部位进行选择并赋予相应的材料属性，其中圆柱体为纤维，球体代表GO，而立方体则代表EP。此步骤的目的是将DIGIMAT软件中各材料的属性与 ANSYS软件相关联。

(3)设置接触条件:仿真模型使用"面-面"接触方式来模拟压头与层合板之间的接触。其中压头被定义为接触元件，层合板的上表面则被定义为目标元件。接触属性设置为“摩擦”，摩擦系数值设为0.2。对于支座与层合板间的接触，同样使用了“面-面”接触模拟，其中支座作为接触体，层合板的下表面作为目标体，接触类型则设定为“无摩擦”，以模拟理想光滑支撑条件。

(4)划分网格:鉴于压头与支座被建模为刚体，它们无需进行网格细化。为了确保GO-CF/BF混杂增强复合材料仿真结果的可靠性，研究采用了四面体网格划分方法，并自动调整网格单元大小。四面体网格能够更好地简化模型，提高计算效率，同时增强数值解的稳定性和收敛性。

(5)加载求解:为了模拟准静态加载条件下的固定支撑环境，将支座的6个自由度全部约束。在压头处施加沿层合板法线方向的5mm强制位移，并在预定时间内完成该位移，以复现实验条件下的准静态加载场景。

结果分析

在层合板弯曲受载过程中，不同铺层顺序的GO-CF/BF混杂增强复合材料抵御外载荷的能力将存在差异。当外部施加的载荷超出了最弱层的临界承载极限时，将引发该层材料断裂失效。随着外载荷的持续增加，这种局部的失效会扩展至整个层合板，进而引发整体结构的破坏。在GO-CF/BF混杂增强复合材料中，碳纤维和玄武岩纤维起承载作用，基体起传递载荷的作用，复合材料的弯曲性能与纤维铺层顺序紧密相关。不同铺层顺序的GO-CF/BF混杂增强复合材料的弯曲应力云图如图所示。通过分析4组应力图发现，复合材料在压头与支撑座附近均出现了应力集中现象，并向周围递减，这表明试样的失效是从加载位置的拉伸与压缩表面开始的。由图(c)可以看出，当铺层顺序为BBBCCC时，随着载荷增加，碳纤维周围的基体受到很高的应力集中，基体出现裂纹，并逐渐出现裂纹扩展。此时复合材料变形后的弯曲应力峰值最大，为442.89 MPa。CCCBBB、CBBBCC和BCBCBC铺层顺序的复合材料弯曲强度分别为325.18、296.17、336.02 MPa，与BBBCCC铺层相比，分别下降了26.58%、33.13%和24.13%。特别是铺层顺序选择CBBBCC时，如图(b)所示，根据前文对该铺层的浸渗仿真与微观形貌的研究可知，此时复合材料内部基体含量较低，纤维之间存在明显缝隙缺陷，因此其弯曲强度和弯曲模量相比其余铺层下降幅度极大，变形后的弯曲应力峰值最小，为296.17MPa。

不同铺层顺序GO-CF/BF混杂增强复合材料的等效应力云图

结合上图可知，在对复合材料施加载荷过程中，试样的中性层上侧受挤压力，下侧受拉伸力，且距离中性层越远，所受应力越大，中性层处应力最小，接近于0，如图(a)所示。因此，本文主要分析复合材料受压部分的上、下表面。中性层上侧区域的应力分布情况大致呈现下凸的弧形，下侧区域与之相反，如图(b)和图(c)所示。铺层顺序为CBBBCC时，在三点弯曲载荷作用下，层合板内的纤维单元所承受的等效应力较小，所能承受的载荷也随之较小，裂纹扩展的速度也较快。当铺层顺序为BBBCCC时，压头处的弯曲应力达到峰值，在变形过程中，层合板层内纤维单元等效应力随着压头加载而增大，但裂纹扩展速度较缓慢，因此失效变形区域呈现越来越弱的趋势。从图(d) 可以看出GO附近的应力较小，这表明了GO的加入可以改善其界面性能，并在其内部生成网状结构，从而分散应力，使复合材料强度增强。

不同铺层顺序GO-CF/BF混杂增强复合材料的局部放大应力云图

试验验证

三点弯曲试验

材料的弯曲性能按照试验标准(GB/T1449—2005) ，采用三点弯曲方法进行测试，跨距L和厚度h比值为32∶1，将试验材料居中放在试验台支座上，保证材料两端与两侧试验台支座中心等距离。在实验室温条件相同的自然环境下，给预制的试验材料以5mm/min的速度持续加载，直到试验材料发生明显的脆性断裂为止，记录此时的极限载荷为弯曲强度值。其中加载压头与支座半径均为5mm，弯曲试样尺寸为80.0mm×12.5mm×2.0mm，跨距取64mm，加载示意图如图所示。

铺层顺序为BBBCCC时GO-CF/BF混杂增强复合材料的三点弯曲模型

试验验证与结果分析

在复合材料层合板的弯曲破坏过程中，其外层受压缩和拉伸的交互作用，这会导致外表面逐渐产生裂纹，且随着应力的增加，裂纹逐渐向内层扩展。在三点弯曲试验中存在着多种失效形式，主要包括：基体开裂、纤维断裂、界面脱粘和层间剥离。由于CF与BF在强度上的差异，不同的铺层顺序将影响层合板在弯曲试验中的失效和破坏模式。试验结果表明，铺层顺序为BBBCCC时，复合材料的弯曲强度最大，高达410.59 MPa。CCCBBB、CBBBCC和BCBCBC铺层顺序的复合材料弯曲强度分别为305.78、277.52、326.31 MPa，与BBBCCC铺层相比，分别下降了25.53%、32.40%和20.53%。特别是铺层顺序为CBBBCC时，复合材的弯曲强度最小，低至277.52 MPa。这是因为弯曲受载时，在采用CBBBCC铺层顺序的复合材料中，压缩侧的主要承载部分是碳纤维，其具备优越的强度和刚度。然而，当这些碳纤维发生脆性断裂失效时，载荷逐渐转移到具有较低模量与刚度的玄武岩纤维上，载荷下降至玄武岩纤维承载能力水平，其弯曲性能下降。试验结果与仿真结果的弯曲强度对比图如图13所示，比较4组模拟数据弯曲强度，当铺层顺序为BCBCBC时，其试验值与仿真值误差最小，此时复合材料的试验弯曲强度为326.31 MPa；而仿真结果表明，复合材料的弯曲强度为336.02 MPa。试验与仿真结果误差小于10%，两者较为符合。比较其余3组模拟弯曲强度，实验结果全部略小于模拟结果，主要原因是仿真过程中材料属性为理想或平均情况下的数值，与试验材料略有差异，而且在GO-CF/BF混杂复合材料的制备过程中，材料内部可能存在如孔隙缺陷或浸透不充分等问题，使材料的力学性能受到影响。但模拟结果中弯曲强度的变化趋势与实验结果仍然吻合，所以有限元分析方法对GO-CF/BF混杂增强复合材料力学性能的预测具有参考价值。

结论

基于VIHPS制备了GO-CF/BF混杂增强复合材料，并通过COMSOL与ANSYS有限元仿真软件，分别建立了GO-CF/BF混杂增强复合材料浸渗模型与三点弯曲模型，探究了不同铺层顺序对该复合材料微观组织与弯曲性能的影响，主要结论如下：

(1)通过COMSOL软件对不同铺层顺序的GO-CF/BF混杂增强复合材料进行浸渗效果仿真，并将仿真结果与其微观形貌对比。结果表明，相比其余3种铺层顺序，CF与BF交替排列(BCBCBC)时，纤维间的孔隙分布更加均匀，使得纤维被基体包裹，相邻纤维间不存在缝隙等缺陷，浸渗与界面结合效果好。因此铺层顺序对复合材料微观组织的浸渗效果有显著影响。

(2)通过DIGIMAT软件建立不同铺层顺序的RVE模型，再将RVE模型导入ANSYS软件构建GO-CF/BF 混杂增强复合材料有限元模型，并进行三点弯曲仿真。结果表明，BBBCCC的铺层顺序复合材料弯曲强度最大，为442.89 MPa。其原因是在此铺层下，复合材料浸渗效果较好，相同纤维间的结合使复合材料内部更加紧密，减少层间界面处的缺陷和应力集中，且外侧受压的玄武岩纤维具有较好的韧性，可以更好的分散应力。CCCBBB、CBBBCC和BCBCBC铺层顺序的复合材料与BBBCCC相比弯曲强度分别下降了26.58%、33.13%和24.13%。因此GO-CF/BF复合材料的铺层顺序可以显著的影响其宏观力学性能。

(3)将三点弯曲仿真结果与试验结果进行对比发现，当铺层顺序为BBBCCC时，此时复合材料弯曲强度的仿真结果与试验结果均达到最高值，分别为442.89 MPa与410.59 MPa，试验与仿真结果误差小于 10%，两者较为符合。因此有限元分析方法在预测GO-CF/BF复合材料的力学性能上有一定参考价值。

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LS-DYNA在产品NVH和疲劳分析方面的应用

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