3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)預(yù)測

供稿人:張俊康，田小永

隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有較多學(xué)者對3D打印中的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，例如在建筑工業(yè)中的接頭零部件。鑒于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模及制造的相關(guān)挑戰(zhàn)，無論是使用實驗方法還是數(shù)值方法，復(fù)合材料仿真測試所呈現(xiàn)的有限元（FE）模型正逐漸取代某些物理測試，以預(yù)測和驗證結(jié)構(gòu)性能。澳大利亞樂卓博大學(xué)的Al Abadi H等人采用實驗和理論方法研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印結(jié)構(gòu)的性能并預(yù)測了其彈性參數(shù)。

圖1 打印試樣纖維排布示意圖

圖2 測試試樣的縱向和橫向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在該研究中考慮了三種類型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，即按選定排列方式設(shè)計的碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維與尼龍基體符合。基于體積平均剛度（VAS）方法開發(fā)了一種分析模型來預(yù)測3D打印試樣的彈性性能，而數(shù)值模型使用Abaqus開發(fā)，以預(yù)測本研究中測試的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印試樣的失效模式和損壞。

圖3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料實驗與仿真失效情況

通過實驗及數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維的取向排列對其3D打印復(fù)合材料截面的結(jié)構(gòu)性能有顯著影響。同時，通過實驗研究及本文提出的兩種建模方法（VAS方法和有限元分析）評估了在選定的纖維含量和纖維取向排列3D打印試樣的結(jié)構(gòu)性能，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)非常一致。驗證了此仿真建模方法對維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印結(jié)構(gòu)的性能預(yù)測的有效性。

參考文獻(xiàn)：
Al Abadi H, Thai H T, Paton-Cole V, et al. Elastic properties of 3D printed fibre-reinforced structures[J]. Composite Structures, 2018(193): 8-18.

供稿人:張俊康，田小永供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室