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基于等参梯度单元分析界面层属性对石墨烯/环氧树脂复合材料弹性性能的影响

黄立新  杨绍钊  梁福安  黄君  
【摘要】:针对石墨烯片在环氧树脂基体内定向连续和定向非连续分布的复合材料,通过分别构建三明治代表体单元和嵌入式代表体单元,进行了弹性性能预测的研究。代表体单元是三相复合结构,其中石墨烯和环氧树脂基体之间的界面层视为连续介质,其材料属性分别考虑均匀、线性和指数变化等3种情况。在代表体单元的有限元建模过程中,石墨烯和环氧树脂基体分别采用梁单元和实体单元进行离散,而界面层则采用等参梯度单元逼近。采用有限元软件ABAQUS分析了小应变下的代表体单元的力学变形行为并提取其弹性性能,然后分析了界面层属性对石墨烯/环氧树脂复合材料弹性性能的影响。通过与混合率模型、修正的HalpinTsai模型及实验数据对比,验证了本文提出的基于等参梯度单元计算方法的有效性。数值算例表明,在处理界面层材料属性不均匀分布的问题方面,等参梯度单元具有计算量少、收敛快和精度高的优点。石墨烯/环氧树脂复合材料杨氏模量预测结果显示,界面层材料属性采用梯度变化的模型时,杨氏模量计算结果比均匀分布的模型、混合率模型和修正的Halpin-Tsai模型的结果偏大,但是更接近实验值。本文的研究结果说明界面层属性是影响复合材料力学性能的重要因素,并为寻求复合材料力学性能更精确地分析提供有效的途径。

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