孙佳楠,陈冰冰,金杨福,高增梁,钱 欣＊

(1.浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310014;2.浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014)

基于ANSYS的钢网增强PE-HD力学性能的模拟分析与实验验证

孙佳楠1,陈冰冰2,金杨福1,高增梁2,钱 欣1＊

(1.浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310014;2.浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014)

运用ANSYS有限元分析软件,构建钢网离散模型,对不同钢网结构增强的高密度聚乙烯(PE-HD)复合材料进行力学性能分析,通过对复合材料拉伸和弯曲模拟发现,钢网增强PE-HD复合材料的弹性模量随着钢丝直径的增加和试样宽度上钢丝排布数目增加而增加,达到纯PE-HD的4～9倍;弯曲模量也随着钢丝直径的增加和试样宽度上钢丝排布数目增加而增加,达到PE-HD的1～3倍。经验证,模拟数据与试验结果非常吻合。

钢网;增强;高密度聚乙烯;ANSYS软件;数值模拟;力学性能

0 前言

钢网增强PE-HD是一种性能优良的新型钢塑复合材料,以高强度钢网为增强体,PE-HD为基体,这种复合结构不但集钢网高强度和塑料的耐腐蚀优点于一身,而且还克服了传统钢骨架增强塑料容易脱层等缺陷[1]。

基于这种复合材料的优点和应用价值,对其力学性能的研究就变得尤其重要。采用ANSYS有限元软件对其进行结构和力学性能分析,可以直观地得到其变形情况、应力分布和相关的力学性能参数。目前采用ANSYS软件对钢网增强 PE-HD复合管进行强度计算分析和外压失稳分析已有较多研究[2-4],但对于钢网增强PE-HD力学性能的模拟分析和实验验证少有报道。本文利用真实钢网离散模型对钢塑复合材料进行拉伸和弯曲模拟分析,并通过实验验证模拟结果的可靠性,以便为钢塑复合材料产品设计提供方法和依据。

1 材料结构和分析模型

1.1 复合材料试样

钢网增强 PE-HD复合材料试样尺寸为:厚度10 mm,宽度30 mm,长度120 mm;中间钢网分别采用直径为1.5、2.0、2.5、3.0 mm钢丝正交编织,在宽度上分别分布3～5根钢丝,如图1所示。

图1 钢网结构及注射成型试样Fig.1 Steel skeleton and injection molded parts

复合材料试样成型:先将点焊钢网置于注射模具型腔内,采用注射成型工艺成型。PE-HD与钢丝性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数 Tab.1 Properties of thematerials

1.2 拉伸模拟模型及边界条件

首先构建中间钢丝网有限元模型,在此基础上利用ANSYS的实体造型功能拉伸生长出塑料基体模型。这样使得钢丝网与塑料基体结合一体,建立与实际测试试样尺寸相同的有限元分析模型,如图2所示。边界条件为:将 X=0端面固定,在另一个端面施加25 M Pa的拉伸应力载荷。

图2 拉伸有限元模型及边界条件Fig.2 Finite elementmodel and boundary conditions fo r stretching

1.3 弯曲模拟模型及边界条件

与拉伸模型类似构建有限元模型,如图3所示。边界条件为:采用三点弯曲方式,试样两端面简支固定,试样中间面施加均布压力载荷。

图3 弯曲有限元模型及边界条件Fig.3 Finite elementmodel and boundary condition for bending

2 有限元分析

2.1 拉伸变形分析

采用小变形分析,得到材料沿 X方向上的形变云图,如图4所示。

图4 钢丝增强PE-HD试样的拉伸形变模拟Fig.4 The simulation fo r tensile deformation of steel skeleton reinforced PE-HD

从图4可以看出,钢网增强复合材料的拉伸变形与纯塑料有着显著的不同,纯塑料的受拉变形在拉伸方向呈现出整体均匀变化,而钢网增强复合材料由于中间增强钢网的存在,使得整体材料的抗变形能力得到显著提高,大部分受拉位移较小,仅在受拉端面的最外围有较大的拉伸变形。

从图4还可以看出,在相同钢丝排布但直径不同情况下,随着钢丝直径的增加,复合材料变形量也相应地减少,但其断面凹陷程度增大。这说明,钢丝直径的增加对整个基体所起到的变形牵制作用也越来越明显,限制基体变形的作用也越来越好。

2.2 弯曲变形分析

通过弯曲模拟分析,得到不同直径钢丝增强PE-HD材料沿 Z方向上位移变化的云图,如图5所示。从图5可以发现,在钢网排布根数相同时,施加相同下压载荷的复合材料,随着钢丝直径的增加,弯曲挠度相应下降,复合材料的整体抗弯能力提高。

2.3 弹性模量的模拟与实验结果对比

图6为不同钢丝直径和试样宽度上不同钢丝排布条件下复合材料弹性模量的变化情况。从图6可以看出,弹性模量随着钢丝直径的增加而增加,但是增加的幅度逐渐减小;试样宽度上钢丝排布数目增加,弹性模量也随之增加。相对纯PE-HD而言,钢网增强PE-HD复合材料的弹性模量提高了4～9倍,钢网增强作用明显。

图5 钢丝增强PE-HD试样的弯曲变形模拟Fig.5 The simulation fo r bending deformation of steel skeleton reinfo rced PE-HD

图6中模拟值与试验值对比发现,有限元计算结果与试验测试结果基本一致,说明采用有限元数值分析计算钢网增强复合材料的弹性模量是可行的,其结果也是十分准确。

图6 弹性模量模拟值与试验值的对比Fig.6 The comparison of the value of simulation and experiment for elastic modulus

2.4 弯曲模量的模拟与实验结果对比

图7为不同钢丝直径和试样宽度上不同钢丝排布条件下复合材料弯曲模量的变化情况。从图7可以看出,弯曲模量随着钢丝直径的增加而增加,增加的幅度逐渐增大;试样宽度上钢丝排布数目增加,弯曲模量也随之增加。与纯 PE-HD相比,钢网增强 PE-HD复合材料的弯曲模量提高了1～3倍,相对于弹性模量而言,钢网对材料弯曲模量的增强作用相对较小。

图7中模拟值与试验值对比发现,有限元计算结果与试验测试结果基本一致,说明采用有限元数值分析计算钢网增强复合材料的弯曲模量是可行的,其结果也是十分准确。

图7 弯曲模量的模拟值与试验值的对比Fig.7 The comparison of the value of simulation and experiment fo r bending modulus

3 结论

(1)模拟结果表明,弹性模量随着钢丝直径的增加和试样宽度上钢丝排布数目增加而增加,相对纯PE-HD,钢网增强PE-HD复合材料的弹性模量提高了4～9倍;弯曲模量也随着钢丝直径的增加和试样宽度上钢丝排布数目增加而增加,相对纯 PE-HD,其弯曲模量提高1～3倍;

(2)通过试验验证,模拟结果与试验值非常吻合,说明采用有限元分析计算钢网增强复合材料的力学性能是可行的。

[1] 王俊良,赵勤宽.钢骨架塑料复合管的研制与应用[J].工程塑料应用,2000,28(12):18-19.

[2] 任志敏,任冬云.新型钢丝网骨架增强塑料复合管的有限元分析[J].中国塑料,2002,16(11):40-42.

[3] 郑津洋,卢玉斌.钢丝缠绕增强塑料复合管力学性能的试验研究[J].中国塑料,2006,20(6):82-88.

[4] 朱彦聪,郑津洋.钢丝缠绕增强塑料复合管外压失稳数值模拟与试验研究[C].乌鲁木齐:第三届全国管道技术学术会议,2006:94-97.

AN SYS Soft ware Simulation of Mechanical Properties of Steel Skeleton Reinforced PE-HD and Its Experimental Verification

SUN Jianan1,CHEN Bingbing2,JIN Yangfu1,GAO Zengliang2,QIAN Xin1＊
(1.College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Based on ANSYS finite element analysis software,steel mesh discrete models were formulated for simulating the mechanical properties of steel skeleton reinforced PE-HD composites.Both Young′s and bending moduli of the composites increased with increasing diameter of the steel skeleton and mesh density.The calculated moduli agreed well with the experimental data.

steel skeleton;reinforcement;high density polyethylene;ANSYS software;numerical simulation;mechanical property

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)01-0056-03

2009-09-11

浙江省重大科技专项资助(2008C01047-3)

＊联系人,qianx@zjut.edu.cn