摘 要

为了研究短纤维橡胶复合材料代表性体积单元（RVE）的各向异性与RVE尺寸的关系，使用有限元模拟软件ABAQUS，对不同尺寸的代表性体积单元进行研究。通过明确地在不同的方向施加拉伸载荷，研究了纤维增强复合材料不同尺寸RVE模型的各向异性。本文的主要工作与研究结论如下：

1、考虑到纤维随机分布的特性对于细观力学模型准确表征宏观性能的重要性，在ABAQUS软件中，采用纤维随机分布RSA算法建立纤维随机分布的RVE模型。

2、通过对短纤维橡胶复合材料的各向异性的研究可以确定RVE模型的合适尺寸。合适尺寸的RVE模型所表达的力学性能也是各向同性的。

3、从分析的结果可以看出，把短纤维加入到橡胶中起到很好的补强作用，复合材料的模量与基体相比有很大提高。相对于橡胶材料来说，通过对它加入各种短纤维后得到的这种新型的橡胶复合材料，其各方面的力学性能要比单一的橡胶材料本身的性能高，而且它还可以体现出加入的短纤维的优点，所以这对于材料的发展是非常好的。

4、不同载荷方向上均匀化后的复合材料响应有显著差异，即表现出明显的各向异性，相应的依赖关系呈正弦形式。随着RVE尺寸的增大，RVE的各向异性逐渐减小。因此，要得到具有代表性的RVE模型，需要保证RVE模型的尺寸足够大。通过对短纤维橡胶复合材料的各向异性的研究可以确定RVE模型的合适尺寸。

关键词： 橡胶 纤维随机分布 代表性体积单元 各向异性 复合材料

Anisotropic properties of short fiber composites with randomly representative volume elements

Abstract

In order to study the relationship between the anisotropy of the representative volume unit (RVE) and the RVE size of the short fiber rubber composites, the finite element simulation software ABAQUS was used to study the representative volume units with different sizes. The anisotropy of RVE model with different sizes of fiber reinforced composites was studied by applying tensile loading in different directions. The main work of this thesis and the conclusions are as follows:

1, in order to accurately characterize the macroscopic performance of the micromechanical model, the RVE model of fiber random distribution was established by using the random distribution RSA algorithm in ABAQUS software, considering the random distribution of fiber.

2, the short fiber rubber composite anisotropy study can determine the the appropriate size of RVE model. The mechanical properties expressed by the RVE model of the appropriate size are also isotropic.

3, the results show that the short fiber added to the rubber played a very good reinforcement effect. The modulus of the composite material compared with the matrix has greatly improved. Compared to the rubber material, by adding a variety of short fibers to it after the new rubber composite material, its various aspects of the mechanical properties than the performance of a single rubber material itself, and it can also reflect the addition Of the advantages of short fibers, so this is very good for the development of materials.

4, the responses of the composite material with different load directions are significantly different, that is, showing a significant anisotropy, the corresponding dependency was sinusoidal form. With the increase of RVE size, the anisotropy of RVE decreases gradually. Therefore, to get a representative RVE model, it is necessary to ensure that the RVE model is large enough. The proper size of the RVE model can be determined by studying the anisotropy of the short fiber rubber composite.

Key Words: Rubber; Fiber random distribution; Representative volume element(RVE); Anisotropies；Compound material

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 复合材料 1

1.1.1 复合材料的基本概念 1

1.1.2 复合材料的特性 2

1.1.3 复合材料的发展简史 4

1.1.4 复合材料的应用 5

1.2 短纤维增强复合材料 6

1.2.1 短纤维复合材料 6

1.2.2 短纤维橡胶复合材料 9

1.3 代表性体积单元（RVE） 10

第二章 代表性体积单元（RVE）建模 12

2.1 纤维随机分布算法 12

2.2 几何模型建立 14

2.3 材料属性定义 15

2.4 边界条件与载荷 16

2.5 网格划分 19

第三章 RVE尺寸对RVE各向异性的影响 21

3.1 对代表性体积单元进行加载 21

3.2 分析 21

第四章 结论 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1 复合材料

1.1.1 复合材料的基本概念

复合材料^[1-3]是一种有潜力的材料，为了能够在军事国防、机器制造和机械电子等行业有广阔的发展，人们分别运用具有差异性的工艺方法对其进行研发利用。通过利用两种及其两种以上的材料相互配合，这样一来它就融合了其组分材料本身所拥有的性能。相比较而言，其各方面的力学性能要比其各种组成材料的性能高，这也决定了复合材料在近代先进材料市场上的地位，因其可以通过改进每个组成材料在各个方面的缺陷，并可以使各个材料的优势表达出来。

在这个经济和科学发展迅猛的时代，复合材料的形成技术有了历史性的进步，在现今指的是利用人工操作的方式使两种以上的材料均匀地添加在一起，但添加在一起的材料总的组成部分只有分散相和基体材料这两个，其中分散相可以给它提供刚度和强度上的需求，且有很多物质能够呈现出有多种形态的分散相。玻璃纤维作为一个在很早的时候就研发出来的材料，它就可以作为增强材料，其优点在于比强度高，表1.1所示为常见的增强材料。

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