碳纤维有限元分析（静力学）需要知道哪些参数？

这学期恰巧在学纤维复合材料（Fibre Composite）试着答一下。

纤维复合材料（不管是碳纤维、玻璃纤维还是aramid）主要特点就是沿纤维轴线方向力学性能特别好，但是纤维横断方向性能不大好。

一般在做基础分析的时候，都是假设纤维和Matrix（这个不知道怎么翻译，“基质"？反正一般指的是把纤维粘合在一起的热塑性大分子或者热固性大分子）两者的连接是完美的。基于这个假设，用“Rule of Mixture”（翻译成“混合规则”？）来估算纤维复合材料的杨氏模量、剪切模量或者强度极限之类的。

基本的计算方法和前面的答主说的差不多

已知纤维的杨氏模量，剪切模量，纤维的体积分数；Matrix的杨氏模量，剪切模量，Matrix的体积分数，这几个模量是直接影响结构刚度的。

由于纤维复合材料不是各项同性材料，所以沿纤维方向和横向要区别对待，基本原则就是：

1.沿纤维方向纤维的轴向应变和Matrix的应变是一样的；

2.沿纤维横断方向纤维上的应力和Matrix的应力是一样的。

那么材料的杨氏模量就是：

沿纤维轴向：；

沿纤维横向：。

剪切模量是：。

现在就有了纤维复合材料单向排列的模量计算方法。

然而，实际应用里不可能总是用单向纤维排列，一般是把纤维按一定角度组合排列，组合后的纤维复合材料能够体现出更符合实际需要的性能。这时候用的就是Laminate Theory（不知道怎么翻译合适）。这里还是要用上一步的结果，只不过多考虑了纤维的排列方向和每层纤维相对于材料中间层的位置。

先假设，对于已知的纤维复合材料，我可以用另一种假设的各向异性材料代替，然后通过纤维复合材料的数据计算出这个假设的材料的杨氏模量、、（有时候可以不考虑这一项，比如对于薄壁构件），剪切模量、、（后两项也是有时候可以不考虑的）。对于多数情况只要考虑、和。这三样是从每层纤维复合材料层的局部模量、、和泊松比、（这俩一般不一样）计算来的。得到、和之后可以直接在有限元计算软件里选好各向异性材料，然后输入。

另外还有一种方法就是用刚度阵。

具体计算还是用胡克定律，通过应变和应力的关系，把单层纤维上的应力应变关系转成整体坐标下的应力应变关系，得到中间的刚度矩阵，里面主要是三部分：拉伸刚度、弯曲刚度和拉弯耦合刚度。如果只考虑平面内的应变：x、y轴向的伸长压缩和xy平面内的剪切，那么最后的刚度阵应该是个6*6的矩阵，这个矩阵一般直接在有限元里选好板单元和各向异性材料，然后输入就行了。

不管是上述哪种方法，都还是要完成纤维复合材料的局部参数和整体坐标参数的转化。

（暂时写这么多，还要复习，有时间补充）

碳纤维有限元分析（静力学）需要知道哪些参数？

这学期恰巧在学纤维复合材料（Fibre Composite）试着答一下。

纤维复合材料（不管是碳纤维、玻璃纤维还是aramid）主要特点就是沿纤维轴线方向力学性能特别好，但是纤维横断方向性能不大好。

一般在做基础分析的时候，都是假设纤维和Matrix（这个不知道怎么翻译，“基质"？反正一般指的是把纤维粘合在一起的热塑性大分子或者热固性大分子）两者的连接是完美的。基于这个假设，用“Rule of Mixture”（翻译成“混合规则”？）来估算纤维复合材料的杨氏模量、剪切模量或者强度极限之类的。

基本的计算方法和前面的答主说的差不多

已知纤维的杨氏模量，剪切模量，纤维的体积分数；Matrix的杨氏模量，剪切模量，Matrix的体积分数，这几个模量是直接影响结构刚度的。

由于纤维复合材料不是各项同性材料，所以沿纤维方向和横向要区别对待，基本原则就是：

1.沿纤维方向纤维的轴向应变和Matrix的应变是一样的；

2.沿纤维横断方向纤维上的应力和Matrix的应力是一样的。

那么材料的杨氏模量就是：

沿纤维轴向：；

沿纤维横向：。

剪切模量是：。

现在就有了纤维复合材料单向排列的模量计算方法。

然而，实际应用里不可能总是用单向纤维排列，一般是把纤维按一定角度组合排列，组合后的纤维复合材料能够体现出更符合实际需要的性能。这时候用的就是Laminate Theory（不知道怎么翻译合适）。这里还是要用上一步的结果，只不过多考虑了纤维的排列方向和每层纤维相对于材料中间层的位置。

先假设，对于已知的纤维复合材料，我可以用另一种假设的各向异性材料代替，然后通过纤维复合材料的数据计算出这个假设的材料的杨氏模量、、（有时候可以不考虑这一项，比如对于薄壁构件），剪切模量、、（后两项也是有时候可以不考虑的）。对于多数情况只要考虑、和。这三样是从每层纤维复合材料层的局部模量、、和泊松比、（这俩一般不一样）计算来的。得到、和之后可以直接在有限元计算软件里选好各向异性材料，然后输入。

另外还有一种方法就是用刚度阵。

具体计算还是用胡克定律，通过应变和应力的关系，把单层纤维上的应力应变关系转成整体坐标下的应力应变关系，得到中间的刚度矩阵，里面主要是三部分：拉伸刚度、弯曲刚度和拉弯耦合刚度。如果只考虑平面内的应变：x、y轴向的伸长压缩和xy平面内的剪切，那么最后的刚度阵应该是个6*6的矩阵，这个矩阵一般直接在有限元里选好板单元和各向异性材料，然后输入就行了。

不管是上述哪种方法，都还是要完成纤维复合材料的局部参数和整体坐标参数的转化。

（暂时写这么多，还要复习，有时间补充）

碳纤维有限元分析（静力学）需要知道哪些参数？

目前复合材料已经在土木工程领域得到广泛运用和研究。

我来说说FRP材料的特性，无论是碳纤维CFRP，还是玻璃纤维GFRP，材料基本有两大组成部分。一个是Fibres，另一个是Matrix。

Fibres在复合材料的作用是提供刚度和强度，例如（碳，玻璃，等等）

此图为Fibres大致结构

Matrix在复合材料的作用是保护Fibres并且使荷载可以在材料中传递。

FRP材料为正交各向异性（Orthotropic）材料，不同方向表现力学性质也不同。

那么FRP的机械性能是由这些参数所决定：

1.Matrix和Fibres的种类

2.Fibres的所占体积

3.Fibres的排列方向

纤维复合材料的基本性质，包括，基本强度，线性断裂，无屈服阶段等一些介绍，在我的这篇答案中有回答

那么下面我们来说说题主说的有限元分析所用到的参数：

首先正是因为有Matrix和Fibres两个主要材料的变量，所以我们需要分情况讨论

首先高刚性的Fibres排布在Tension这个方向，那么Efrp （复合材料弹性模量）就取决于：Ef（Fibres模量）Em（Matrix模量）和Vf（Fibres的体积比）

FRP材料强度

第一种情况Matrix应变小于Fibres的应变

如果Fibres所占体积比大则

如果Fibres所占体积比小则

第二种情况Matrix应变大于Fibres的应变

如果Fibres所占体积比小则

如果Fibres所占体积比大则

对于土木工程大多数运用来说Vf（Fibres的体积比）值一般大于0.1

疲劳计算：碳纤维的疲劳表现很好，玻璃纤维疲劳表现稍逊于碳纤维

徐变：Fibres相对不明感，Matrix是黏弹性的，所以将会徐变

温度影响：例如温度上升徐变增大，材料热膨胀系数的差异也会有热应力的产生

热膨胀系数：下面图表是比较典型的热膨胀系数对应不同材料的筋

答案中的公式出自加拿大规范

希望对题主有帮助，满意就给赞吧 :-)

碳纤维有限元分析（静力学）需要知道哪些参数？

目前复合材料已经在土木工程领域得到广泛运用和研究。

我来说说FRP材料的特性，无论是碳纤维CFRP，还是玻璃纤维GFRP，材料基本有两大组成部分。一个是Fibres，另一个是Matrix。

Fibres在复合材料的作用是提供刚度和强度，例如（碳，玻璃，等等）

此图为Fibres大致结构

Matrix在复合材料的作用是保护Fibres并且使荷载可以在材料中传递。

FRP材料为正交各向异性（Orthotropic）材料，不同方向表现力学性质也不同。

那么FRP的机械性能是由这些参数所决定：

1.Matrix和Fibres的种类

2.Fibres的所占体积

3.Fibres的排列方向

纤维复合材料的基本性质，包括，基本强度，线性断裂，无屈服阶段等一些介绍，在我的这篇答案中有回答

那么下面我们来说说题主说的有限元分析所用到的参数：

首先正是因为有Matrix和Fibres两个主要材料的变量，所以我们需要分情况讨论

首先高刚性的Fibres排布在Tension这个方向，那么Efrp （复合材料弹性模量）就取决于：Ef（Fibres模量）Em（Matrix模量）和Vf（Fibres的体积比）

FRP材料强度

第一种情况Matrix应变小于Fibres的应变

如果Fibres所占体积比大则

如果Fibres所占体积比小则

第二种情况Matrix应变大于Fibres的应变

如果Fibres所占体积比小则

如果Fibres所占体积比大则

对于土木工程大多数运用来说Vf（Fibres的体积比）值一般大于0.1

疲劳计算：碳纤维的疲劳表现很好，玻璃纤维疲劳表现稍逊于碳纤维

徐变：Fibres相对不明感，Matrix是黏弹性的，所以将会徐变

温度影响：例如温度上升徐变增大，材料热膨胀系数的差异也会有热应力的产生

热膨胀系数：下面图表是比较典型的热膨胀系数对应不同材料的筋

答案中的公式出自加拿大规范

希望对题主有帮助，满意就给赞吧 :-)

碳纤维有限元分析（静力学）需要知道哪些参数？

碳纤维在有限元分析中一般看作各项异性材料,但是是transverse isotropy。所以你需要知道纤维方向（1）的和纤维法向（2,3）的两个方向参数，杨氏模量E1, E2=E3; 泊松比v12=v13, v23; 剪切模量G12=G13, G23 如果需要热力学常数，还要加上热膨胀系数。

以T700为例：

E1=230 GPa

E2=E3=15 GPa

G12=G13=24 GPa

G23=5.03 GPa

v12=v13=0.2

v23=0.25

值得一提的是，碳纤维性能由于实验局限，无法得到准确不变的数值。以上仅供参考。

========

更新 热膨胀系数

11方向 -0.4e-6 K^-1, 22方向 5.6e-6 K^-1

碳纤维有限元分析（静力学）需要知道哪些参数？

碳纤维在有限元分析中一般看作各项异性材料,但是是transverse isotropy。所以你需要知道纤维方向（1）的和纤维法向（2,3）的两个方向参数，杨氏模量E1, E2=E3; 泊松比v12=v13, v23; 剪切模量G12=G13, G23 如果需要热力学常数，还要加上热膨胀系数。

以T700为例：

E1=230 GPa

E2=E3=15 GPa

G12=G13=24 GPa

G23=5.03 GPa

v12=v13=0.2

v23=0.25

值得一提的是，碳纤维性能由于实验局限，无法得到准确不变的数值。以上仅供参考。

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更新 热膨胀系数

11方向 -0.4e-6 K^-1, 22方向 5.6e-6 K^-1