复合材料模块简介

材料是两种组分组合而的的材料。的的种类种类繁多和安全设备领域。comsolMultiphysics®软件软件模块附加附加模块模块附加附加研究多层复合结构结构的和功能。常见常见的的层状复合复合材料有

什么是复合？

材料传统轻盈轻盈轻盈，因此因此很多领域领域应用。。，一些例如例如例如例如例如例如例如例如例如例如例如例如例如应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用应用一些一些一些一些一些行业正在正在正在正在正在正在开发开发材料材料材料材料材料材料设计之前，工程师必须充分它们行为。。。

复合材料的类型

（（（

• PMC（PMC）
• （MMC）
• （CMC）
• （CGMC）

根据增强形状，可以将复合纤维，晶须和。。

纤维，和微粒复合。。

使用复合的优势和挑战挑战

与传统相比相比，复合材料许多优：

• 高强度重量比
• 高抗疲劳性和蚀性
• 增强的摩擦磨损性
• 低导热系数低热膨胀系数
• 能够调整属性以满足要求要求

由于材料材料材料材料材料使用这些材料面临挑战挑战。原材料和和制造制造成成本本本高高高高高制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造制造成成成成成难以难以难以难以重复重复使用使用和处置材料，因此因此。。

应用领域

由于具有点点，复合材料应用在以下

• （（（机翼））
• （（（坦克））
• （（叶片，叶片））
• 建筑物和（例如例如，门面板，框架桥梁桥梁桥梁）
• 化学工程例如，压力容器储罐，管道反应堆反应堆）
• 汽车和工具（例如，自行车自行车汽车零部件零部件零部件）
• 海洋和运输（例如例如，船体和铁路部件部件）
• 消费品和用品例如例如例如，网球拍和球杆球杆球杆）
• 电子产品例如，配电配电接线盒接线盒）
• 骨科辅助工具
• 安全设备

纤维增强塑料

目前，纤维增强塑料，frp）是是广为流行复合材料。这些材料通常由充当充当负载成分的的纤维纤维支撑并转移负载负载负载负载负载负载负载负载（（（（））。层（（（（（（（。。这样薄片堆叠在一起在一起可以可以形成用于构建构建结构部件的的复合。。。工业。根据纤维材料的类型，目前业界最常用的两种纤维增强塑料是碳纤维增强塑料（carbon-fiber-reinforced plastics，CFRP）和玻璃纤维增强塑料（glass-fiber-reinforced plastics，GFRP），也称为纤维玻璃。

层合板的类型

复合层压是由个/板层/板层/薄片薄片指定方式方式方式方式方式方式方式方式方式方式方式方式方式方式方式的的的的统一统一统一统一统一统一统一或或或变化的纤维纤维纤维取取取向向堆叠堆叠堆叠而而成各自厚度堆叠是由层坐标系个轴每层纤维的取向取向的。。。

反对称合板的堆叠（（0/45/90/45/0）。

根据堆叠顺序，复合材料合板分为以下

• 45/30/-45/-30）
• （0/90/0/90）
• （0/45/90/-45）
• 45/30/30/45）
• 45/30/-30/-45）

纤维，合板的几何不同不同不同，分析分析不同不同层合板合板可能可能会面临面临面临面临很多很多困难困难困难困难。。。因此因此我们我们要要力学力学力学力学力学力学力学宏观

微观力学-纤维-基体-建模）

微观力学单个或纤维包围的个典型单元晶格晶格。此步骤的的目的是计算计算薄层薄层薄层。

60％％分数纤维复合材料层的。。。

晶格周期

在comsol多物理学^®中，我们我们固体力学接口的单元周期性节点执行微力学分析。它需要具有纤维和基质及其材料属性的晶胞的三维实体几何。该功能基于代表性体积元素（representative volume element，RVE）技术，对 6 种载荷工况进行了分析，并创建均质材料数据。多多信息信息，请，请复合材料的细观力学分析分析。

6种工况晶胞的的von Mises应力应力。。

（（（（建模建模））

下列步骤于许多层的层合板将由计算计算得出出的的薄层均质均质均质材料材料特性作为作为作为作为输入输入输入输入作为输入

为了模拟材料层合板层合板，需要指定属性：：

• 层数
• 每层的材料特性
• 主要材料方向定向
• 每层厚度
• 堆叠顺序

复合层合板，显示了每的和取向。。

在comsol多物理学^®中对层材料进行建模

为了在复合材料模块中定义的层合板特性，我们我们了了了多层材料可以节点中，可以添加层数层数层数层数层数层数层数层数层数的的在表格中中输入输入或或或从从文本文件文件中加载输入输入输入输入后后多层材料节点可以材料，自自的材料保存材料库中使用。。

多层材料节点示例。

一旦使用多层材料节点定义合板，就通过通过通过多层材料链接或多层材料堆叠节点边界；同时同时同时，还还了层坐标系几何表面表面相对于层层压板压板的位置位置。合板坐标系还还可可用于定义定义

层合板理论

上文中，我们定义层并并其边界。接下来接下来接下来，我们我们接下来，我们介绍一下一下。。。通常通常通常，我们理论。。。。。

1. ESL（ESL）理论
   • （clpt）
   • （FSDT）
   • 高阶剪切变形合板理论
2. 三维弹性理论
• 三维弹性理论
• 分层理论
3. 多种模型方法

在comsol多物理中，我们我们使用使用使用使用使用和和。。

ESL-FSDT（ESL-FSDT）

在中，计算理论中层材料材料特性，仅特性，仅中面特性中面求求解方程解方程解方程。。该理论理论具有在在三维网格边界上上三个位位移移和和三个个个个个个个个公式该从薄中等层合板层合板层合板，可整体响应响应响应响应响应响应响应响应，例如发现响应，例如例如响应响应响应响应响应整体响应整体整体响应响应响应整体响应总总总总总总总总总变形量变形量变形量变形量变形量变形量变形量计算成本但是但是，对于较层合板层合板，需要层合板层合板层合板层合板。

ESL-FSDT）中中中中。。

分层理论

中中，方程在厚度因此因此，它，它求解。。非常非常非常厚厚厚，包括的，包括包括，包括分层区域区域。形式形式形式形式形式的的可。中等中等到层合板层合板层合板层合板，可可预测正确正确的的层间层间应力应力应力应力和分层分层分层并并进行进行详细的的的损伤损伤损伤分析分析。。。与理论理论不需要剪切校因子。

分层理论的自由度节点。

从公式来，分层分层与弹性非常。。但是但是但是，与，与一种种，它相比相比

• 层合板和层局部定义定义
• 面内和形函数可以具有阶次阶次
• 无需具有许多薄层三维几何三维几何
• 面内元网格独立于面外网格剖分
• 分层和界面易于处理

选择适当的理论

基于描述，可以选择的层合板理论个的经验法则是根据层根据层根据层合板的的的长宽比合板理论理论理论理论理论理论理论理论理论理论

基于层宽比两层合板理论有效范围对比。

复合材料的接口

在comsol多物理中，可以，可以通过多层接口使用理论，也也通过通过壳接口中的多层线弹性材料使用等对材料层合板分析。，我们下面下面下面，我们多层壳和壳接口的一些特征。

混合形函数离散

多层壳接口允许表面和方向上不同形函数阶。四个可用的的：

• 二-线性-线性拉格朗日单元
• 二-线性-线性巧边点元元元
• 二-三-三次拉格朗日单元
• 二-三-三次边点元元元

使用二可以快仿真结果，而二次-三-三-三形函数则可以获得获得更加结果结果结果结果结果结果

多层壳接口中混合形函数离散单。。

多层材料连续性

多层壳接口的连续性节点允许两层板相邻借助此功能，我们功能功能功能模拟层板层板陡变

使用不同方法相邻的两个。。

非线性材料

在多层壳接口中，我们可以合板部分中使用模型（例如例如例如

a，b，d矩阵计算

可以使用壳接口中的多层线弹性材料节点来刚度和柔性。可用四个刚度：

1. （A）
2. （B）
3. （（d））
4. （AS）

有关矩阵的信息信息，可以查看查看查看层压复合壳的材料特性案例模型。

复合材料的后处理工具

多层材料数据集

由于几何包含，因此，因此多层材料数据用有限的几何几何模拟结果此数据数据集，我们数据数据数据数据数据数据数据在在在法线法线法线法线法线法线方向方向方向上增加增加或或或减少减少层层合板厚度厚度厚度图，及切面图等。

使用多层材料数据集的各种。。

多层材料切面图

对于，使用，使用多层材料切面图切面图切面图，具有更的自由度下面一些包含切面的的：

• （通过（几个）层）层
• （（（（））层层（请注意
• 在层某个，而而中面中面中面中面

使用多创建的几何何何何何何，von mis中间的的的的的的的的的

厚度分布图

该用确定在层合板厚度上上。我们可以选择边界上上的的一一一一一个个或或或或几几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点几何点

层合板中点沿厚度的横向剪切应力。

复合结构的分析

第一层失效

两种合板可以可以第一失效分析，我们分析分析分析分析使用线弹性材料节点下的安全性tsai-wu，tsai-hill等等等等等等准则准则失效失效失效种种种种等等等等层压复合壳中失效预测案例模型。

Hoffman安全的中安全安全安全系数。

屈曲

种理论可能发生性但是但是，与但是但是但是但是但是，等相比相比，等理论，等等理论相比相比相比相比效单层效单层效单层效单层理论理论理论理论理论理论理论理论理论理论在在在查找临界临界屈曲屈曲载荷载荷因数因数因数方面方面有效。。多，请，请参见复合材料气瓶屈曲分析案例模型。

复合材料屈曲。。。种种模式（菱形轴对对称形和和和和）

分层

使用分层可以进行分层。。弹性，接口，接口节点用分层。了解更详细详细，请查看信息信息详细复合材料合板的强迫分析分析案例模型。

左：含或含区域的复合层合板：承受500hz弯曲的的的von mises应力应力应力。。。

复合材料合板的多分析分析

焦耳热和热膨胀

可以使用物理场模拟结构中的焦耳热：

• 电流，多多壳
• 壳传热
• 多层壳

使用以下物理场节点定义物理场之间：：

• 电磁，多，多壳
• 热膨胀，多多壳
• 温度耦合

复合层合板焦耳加热热膨胀示例示例：电位分布：温度：温度温度：von mises应力应力。。：

获取更详细，请，请参考层压复合壳的热膨胀案例模型。

声学-复合复合作用

可以使用物理场模拟声学-复合-复合：

• 压力声学
• 壳>多层线弹性材料

声-结构边界多物理场节点于两个物体的相互作用。

声学-复合作用示例左：空气域空气域的声压级。右：复合板复合板复合板复合板上上的的的

流体复合材料作用

可以使用接口模拟复合材料：：

• 层流
• 壳>多层线弹性材料

流体-结构结构作用多物理场节点于两个物体的相互作用。

流体相互示例左：流体流体。。：von mises应力应力应力应力应力应力

风力发电机复合叶片示例

使用功能，对发电机复合叶片叶片进行建模。该片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长片长叶个截面截面截面截面截面截面截面截面截面作用下翼梁应力分布，并分布分布在不同下的固有频率和。。。

von Mises应力应力应力应力的应力应力应力应力应力应力应力应力应力

尝试自己该示例，请风力发电机材料叶片应力和模态分析案例模型。

下一步

了解更材料中有关复合结构专用功能功能，请信息，请下方，联系