3D打印纤维增强复合材料结构的弹性参数预测

供稿人:张俊康，田小永

随着纤维增强复合材料3D打印技术的发展，现已有较多学者对3D打印中的纤维复合材料结构的力学性能进行研究，例如在建筑工业中的接头零部件。鉴于复合材料结构建模及制造的相关挑战，无论是使用实验方法还是数值方法，复合材料仿真测试所呈现的有限元（FE）模型正逐渐取代某些物理测试，以预测和验证结构性能。澳大利亚乐卓博大学的Al Abadi H等人采用实验和理论方法研究了纤维增强复合材料3D打印结构的性能并预测了其弹性参数。

图1 打印试样纤维排布示意图

图2 测试试样的纵向和横向应力-应变曲线

在该研究中考虑了三种类型的纤维增强复合材料，即按选定排列方式设计的碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维与尼龙基体符合。基于体积平均刚度（VAS）方法开发了一种分析模型来预测3D打印试样的弹性性能，而数值模型使用Abaqus开发，以预测本研究中测试的纤维增强复合材料3D打印试样的失效模式和损坏。

图3 纤维增强复合材料实验与仿真失效情况

通过实验及数值仿真研究发现，纤维增强复合材料中纤维的取向排列对其3D打印复合材料截面的结构性能有显着影响。同时，通过实验研究及本文提出的两种建模方法（VAS方法和有限元分析）评估了在选定的纤维含量和纤维取向排列3D打印试样的结构性能，发现模型预测结果与实验数据非常一致。验证了此仿真建模方法对维增强复合材料3D打印结构的性能预测的有效性。

参考文献：
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:张俊康，田小永供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室