资源描述：
《PP_CaCO_3复合材料拉伸时界面应力的有限元分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、华南理工大学学报(自然科学版)第34卷第10期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.34No.102006年10月(NaturalScienceEdition)October2006文章编号:10002565X(2006)1020058204PP/CaCO3复合材料拉伸时界面应力的有限元分析梁基照王丽(华南理工大学工业装备与控制工程学院,广东广州510640)摘要:应用ANSYS软件对碳酸钙粒子填充聚丙烯(PP)复合材料在拉伸过程中的界面应力分布进行了有限元分析,并将三维与二维的有限元模拟结果加以比较.结果表明:粒子极点区
2、受到的剪切作用最大,而赤道区则受到基体树脂强烈的挤压提拉作用,拉伸应力达到最大值;相对而言,三维的应力分布曲线起伏较大.关键词:聚丙烯;碳酸钙;拉伸;界面应力;有限元分析中图分类号:TB34文献标识码:A聚丙烯(Polypropylene,简称PP)具有良好的加PP/CaCO3复合材料在拉伸载荷F下的情况.为便于工性能和使用性能等特点,是一种应用较为广泛的分析,根据上述假定,取中央仅含有一CaCO3粒子热塑性树脂.然而,冲击韧性差(尤其在室温以下)的正方形单元体,上下两端受简单拉伸作用,其物理等缺陷限制了其应用范围的进一步扩展.近年来,应模型如图1所示.[123]用刚性无机
3、粒子增强增韧PP日渐广泛,尤其是碳[425]酸钙(CaCO3)粒子.对于聚合物复合材料,其力学性能在很大程度上取决于界面状态(如粘合、结构形[6210]态和应力分布等).研究在载荷作用下材料内部应力的分布,有助于加深对其增强增韧机理的认识.应用有限元方法(FiniteElementMethod,简称FEM)进行应力分析较为有效而普遍.文中的重点是应用FEM对拉伸载荷下PP/CaCO3复合材料界面处的应力分布状态进行二维和三维数值模拟.图1PP/CaCO3复合材料单元物理模型Fig.1UnitphysicalmodelofPP/CaCO3composite1理论模型考虑到球体
4、几何形状及受力的对称性,仅取单1.1基本假设元物理模型的四分之一作为研究对象,并简化其三理论分析基于下列假定:(1)CaCO3粒子在PP维应力场,如图2所示.树脂基体中的分布是均匀的,且为简立方分布;(2)CaCO3粒子的粒径很小,可近似视为球形;(3)相邻粒子间的相互作用可忽略.1.2物理模型现考察CaCO3粒子含量(体积分数)为3%的收稿日期:2005204212作者简介:梁基照(19532),男,教授,博士生导师,主要从图2PP/CaCO3复合材料三维单元模型事聚合物复合材料加工理论及机械设计研究.E2mail:Fig.23DunitmodelofPP/CaCO3co
5、mpositescutjzl@sohu.com第10期梁基照等:PP/CaCO3复合材料拉伸时界面应力的有限元分析59道到极点逐渐增大,且赤道周围应力较小,为负值;2有限元分析而极点附近的应力最大,为正值.另一方面,后者对周围基体树脂的影响不断扩大(应力增加),而前者2.1网格划分则相反.使用ANSYS软件进行PP/CaCO3复合材料在拉伸载荷下界面应力分布的数值模拟.根据填料的添加量算出在一个单元内粒子与单元的面积比,从而算出单元的边长.将粒子的半径及单元的边长,输入到软件中去,然后采用智能自动划分网格,单元类型为二维实体PLANE82,8节点四边形单元.划分结果如图3所
6、示.图5Y方向应力场云图Fig.5StresscontourgraphatdirectionY3.2周向应力分布图6表明了基体树脂与CaCO3粒子之间界面Y图3PP/CaCO3复合材料单元体网格划分方向的拉伸应力分布.其中,横坐标代表沿粒子表面Fig.3UnitmeshingofPP/CaCO3composite从赤道上的点A到极点B的距离AB=315μm.从图2.2物性参数6(a)中可以看出,CaCO3粒子的赤道周围拉伸应力最小,然后朝粒子极点方向逐渐增大,于极点附近达材料物性参数主要为拉伸弹性模量和泊松比.到极大值.同二维模型的拉伸应力分布相比,极点处材料1为连续相的聚
7、丙烯树脂基体,弹性模量为三维拉伸应力明显地大于二维.图6(b)显示了基体1.578GPa,泊松比为0.3;材料2为分散相的CaCO3粒子,弹性模量为65GPa,泊松比为0.2.2.3模型加载对模型施加初始条件,先施加约束条件,在底面施加Y方向的约束,左面施加X方向的约束,然后施加载荷,在顶面施加拉伸载荷1kN,如图4所示.图4PP/CaCO3复合材料单元体模型加载Fig.4UnitmodelloadingofPP/CaCO3composite3结果与讨论3.1应力云图应力云图形象地说明了应力的大小和变化.使用求解器
