【转帖來自仿真chuyu-短縴維增強熱塑性塑料結构件的強度分析

1.【原創】短縴維增強熱塑性塑料結构件的強度分析  
（1）難點1----縴維取向  
a、短縴維（為同意見，縴維長度大于10mm的也稱為短縴維好了）增強熱塑性塑料的用量越來越大，但一般均采用注塑成型，這不可避免的會導致縴維取向的產生，如果視為各向同性材料進行分析的話，誤差較大。然而，由于縴維的  
取向和沖模過程密切相關，套用層合板之類的簡單正交系統也難以奏效。  
b、材料性能的測試  
測試短縴增強的熱塑性塑料力學性能，一般采用注塑的方法制備啞鈴型（狗骨頭狀）試件，其縴維取向更為明顯，垂直縴維方向的強度一般為縴維方向強度的50%~70%，因此簡單的拉伸試驗數据不足以完全表征材料的性能。  
（2）難點2--強度准則  
短縴維增強塑料的強度（屈服，极限）與方向相關，采用最大應力准則顯然已不合適。米塞斯應力更沒什麼意義。  
  
解決辦法  
（1）針對縴維取向，采用正交各項异性材料模型  
應用正交各向同性模型預測短縴維增強塑料結构件的性能，和實際結果相比，具有較大的誤差。但顯然一般的正交各向异性材料模型也不大適用，並且比較麻煩。一些文獻采用如下方法：  
  a 從較大的扇形試件上截取啞鈴型時試件，分別測試縴維方向，垂直縴維方向的性能，這樣可以部分避免直接由啞鈴型試件帶來的取向誤差。  
  b 先進行充模分析，根据熔體的流動方向确定材料方向。想請各位高手出招，如何進行流動分析，並記錄流動方向？  
  
（2）針對強度准則  
雖然材料的屈服強度和方向有關，但經試驗發現，屈服處的應變卻和方向基本無關，因此可以應用最大應變准則，以此處的應變作為极限應變進行分析。但若進行破坏分析的話，以這個應變作為极限應變顯然過于保守，大部分短縴維增強熱塑性塑料屈服后仍有一定的承載能力。目前較為實用的方法是將极限強度除以彈性模量得到一個近似的极限應變，該應變和材料方向仍然基本無關，可以應用該名義极限應變作為破坏分析的依据。  
  
小結：  
綜合應用以上方法，預測結果仍有較大的誤差（-20%左右），但偏于安全。傳統的采用注塑試件選用各向同性材料的預測結果，誤差很大（〉+40%，有的〉100%），較不安全。  
  
【原創】應變速率、靜水壓力、溫度對材料屈服強度及模式的影響  
（1）題外話  
     表征一種材料的性能需要很多參數，譬如楊氏模量，屈服強度，軟化溫度，沖擊強度等等。在工程設計中，一般只有應力--應變數据（完整的曲線，模兩，屈服強度）才得以實際應用，而像有（無）缺口沖擊強度，球壓痕硬度等參數只是用來在不同的材料中進行簡單的定性對比而已，在有限元計算中並不應用。這是因為，這些參量並不能表征材料的基本性能，他們完全可以由材料的應力應變關系确定。但是，這些參數的測試方法雖然簡單，但其中的力學關系卻比較復雜，既牽涉了動力學問題，也牽涉了大變形（包括大塑性形變）問題，而材料本身力學特征也受加載速率、靜水壓力等因素影響，因此從應力應變曲線計算這些參數，具有一定的難度，但其潛在的應用价值也不難想象。下面僅就應變速率、靜水壓力、溫度三個因素對材料屈服強度及失效模式的影響做一簡單介紹，材料主要是塑料和聚合物基復合材料。  
  （2）應變速率的影響  
應變速率影響材料的屈服強度和失效模式（塑性？脆性？）。應變速率大，屈服強度升高，材料也會從塑性失效向脆性失效轉變。應變速率和失效強度有如下關系：  
   S=B1+B2.ln(r),r是應變速率，B1,B2是常數  
在有限元軟件（ansys,abaqus,ls-dyna)中，一般都提供率相關材料模型。對撞擊計算，如果條件許可，自然應該盡量采用這種材料模型。回到材料的沖擊強度試驗，顯然對其進行模擬計算時也應考慮應變速率對屈服強度和斷裂模式的影響。  
（3）靜水壓力的影響  
在進行缺口沖擊實驗時，缺口附近的凈水壓力（S1+S2+S3)/3很大，靜水壓力增大，屈服強度增大，材料破坏向脆性模式（斷裂應變低，塑性形變小）轉變，因此在測量沖擊強度時，一般只會觀察到脆性斷裂。至于靜水壓力對應以應變曲線如何影響，希望各位能一起參與討論，這個問題並沒有得到完善的解決。  
hydrostatic stress (first invariant of stress tensor) does not affect the von Mises stress, for stress-strain curve from a uniaxial test you can expect that the hydrostatic stress do not affect the "shape" of the curve, but it will affect the fracture/failure strain, if my memory serves me right, under high(compressive) hydrostatic stress(or say pressure), even marble becomes ductile! A lot of failure/frature/damage models take the effects of hydrostatic stress into account.  
  
just my two cents input.  
靜水壓強對材料的破坏模式影響目前研究的並不成熟，只有一些統計型的模型。例如：  
S1-v(S2+S3)=X(T)/(S1+S2+S3) +Y(T)  
S1,S2,S3--主應力  
v---泊松比  
X(T),Y(T)---溫度相關常數  
T---溫度  
good paper!!!!::x