摘 要

随着科技的发展和进步，复合材料越来越受到人们的重视，在很多领域和行业都得到了应用。但是因为复合材料具有一定的粘弹性，在受到长时间的荷载作用下，会发生蠕变等有危害性的行为，蠕变会使结构以及构件产生一定的变形或者直接损坏，这样结构就会失效，会对工程以及人员造成一定的损失与破坏。因此在设计复合材料的过程中，我们一定要注意考虑蠕变对复合材料的不利影响。本文就是借助于ANSYS有限元分析软件对玻璃钢管道进行了蠕变行为的研究，通过有限元进行模拟和计算，得出了复合材料蠕变的一般规律。

关键字：复合材料；蠕变；ANSYS

Abstract

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With the development and progress of science and technology, composite materials, more and more attention in many industries and fields have been widely used.But the composite has a viscoelastic, under long term loading, creep behavior occurs, will creep deformation or damage to the structure, it may lead to structural failure. Therefore, in the structural design, the creep properties is an important composite product design data, so the creep behavior of the composite material will have its significance.In this paper, by means of ANSYS finite element analysis software for glass pipe creep behavior was studied by finite element simulation and calculation, the general rule of composites creep.

Key Words：Composite materials；creep；ANSYS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 复合材料的分类 1

1.2 相关课题及研究现状 2

1.2.1 粘弹性与蠕变 2

1.2.2 国内外的研究现状 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 蠕变理论研究 4

2.1 蠕变机理 4

2.2 蠕变曲线 4

2.3 蠕变的影响因素 5

2.3.1 应力及温度的影响 6

2.3.2 纤维及铺层角度的影响 7

2.4 减小蠕变的途径 8

2.5 粘弹性模型及公式 8

2.5.1 简单模型 8

2.5.2 标准线性固体模型 9

2.5.3 Boltzman模型 10

2.5.4 Schapery模型 10

2.6 本章小结 11

第3章 有限元分析 12

3.1 ANSYS与复合材料 12

3.2 有限元模拟的相关研究 13

3.3 ANSYS中的蠕变分析 14

3.3.1 显式蠕变 14

3.3.2 隐式蠕变 15

3.4 玻璃钢管道蠕变分析 17

3.4.1 问题描述 17

3.4.2 问题分析 17

3.5 求解步骤 17

3.5.1 定义单元类型 17

3.5.2 定义材料性能参数 18

3.5.3 创建有限元模型 20

3.5.4 划分网格 22

3.5.5 加载求解 23

3.5.6 查看结果 26

3.5.7 结果分析 27

3.6 本章小结 27

第4章 总结与展望 29

4.1 全文总结 29

4.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 31

绪论

研究背景及意义

复合材料是指由两种或两种以上的不同材料复合而构成的，各种组成材料之间存在着十分明显的界面，复合材料不但能够很好的发挥出各种组成材料之间的优点，而且能够获得各种组成材料之间所不具备的特性^[1]。它是现世纪非常重要的人造材料之一，成为继陶瓷、金属、高分子等材料之后的第四类材料^[1]。从“第二次世界大战”开始，以玻璃纤维作为增强体的复合材料就开始得到人们的应用。如今，以碳纤维增强复合材料为代表的各类先进的复合材料，因为具备优越性和可设计性等凸出优势，受到人们非常广泛的重视。复合材料的产生和发展在很大程度上依赖于航空航天以及国防的发展，随着科技的进步，复合材料现已被广泛的应用到很多领域。如：船舰、航空航天、能源、交通、建筑、桥梁和休闲等^[1]。

复合材料主要在以下三个方面体现出了它的优势：(1)智能化：材料对服役环境的适应力和感知能力得到提高；(2)提高结构效率：复合材料具有高比模、高比强等凸出特点，能够明显的减轻装备的构造重量；(3)结构/功能一体化：能够实现特殊功能，提高抵御恶劣环境的能力^[1]。

复合材料的分类

复合材料按组成成分可以划分为：（1）非金属与非金属复合材料；（2）金属与金属复合材料；（3）非金属与金属复合材料。

复合材料按结构特点可以分为：

1. 纤维复合材料：在基体材料中加入增强体材料而形成。如纤维增强金属和纤维增强塑料等。
2. 夹层复合材料：将性质各不相同的芯材与表面材料组合而形成。通常表面材料强度较高、薄；芯材强度较低、质轻，可是具有相应的刚度和厚度。其下又可以划分为实心夹层和蜂窝夹层两类。
3. 细粒复合材料：将硬质细粒匀称的分散于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。
4. 混杂复合材料：将一种基体材料与两种或两种以上的增强体材料混杂在一起而形成的。和普通单增强相材料相比较，其具有较高的冲击强度、疲劳强度和断裂韧性，并具有一定的热膨胀性。混杂复合材料又可以划分为夹芯混杂、层间混杂、层内混杂、层内/层间混杂、超混杂复合材料等^[1]。

相关课题及研究现状

粘弹性与蠕变

粘弹性是介于粘性和弹性之间的材料的一种性能，但又不是弹性和粘性的简单叠加那么的简单，往往需要十分复杂的计算才能将其表示出来。粘弹性是复合材料的一种重要的特征，正是因为复合材料具有十分明显的粘弹性，所以复合材料才会发生蠕变行为。蠕变是一种现象，在这种现象下，固体材料及构件的所受到的应力不会产生变化，但是其应变会随着时间的变化而产生一系列的变化，构件的材料不同其蠕变随时间的变化形式不同。蠕变现象的出现跟应力的大小没有直接的关系，即是说在应力没有达到材料的极限时，只要应力作用足够的时间，材料也会发生蠕变，或者在其他条件下，比如高温下，腐蚀条件下等等极端环境下。一般而言，复合材料在处于长时间承受荷载的情形下，基体的粘弹性占据主导地位，粘弹性效应不单能够改变构件和结构的刚度，同样也能够改变构件和结构的强度。随着蠕变的出现，材料原本已有的性能开始降低，比如：强度和模量，这样随着时间的延长，结构及构件就会产生变形或遭到破坏，以至于失效。

国内外的研究现状