短纤维增强塑料充填过程中纤维取向的数值模拟和实验分析

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纤维增强复合材料的机械、物理性能很大程度上依赖于纤维增强的特性,如纤维的取向状态、纤维的长径比等,而纤维取向状态对复合材料物理性能影响的研究更为广泛。在世界范围内,注射成型在塑料制件的生产中都占据着十分重要的地位,而对注塑件中的纤维取向研究多集中于充填阶段。在实际的生产过程中,制件不同部位的纤维取向是差异很大的,当纤维沿某个方向固定取向时,容易引起局部的各向异性而引起制件内部残余应力不均,造成制件收缩不均、翘曲变形等不期望的结果。在众多的纤维悬浮流研究中,通常采用两个Euler角对纤维在空间中的取向状态进行描述,然后通过数值分析的方法获得它们随时间变化的函数表达式,即可获得不同类型流场中的纤维取向。在本文中,主要有两方面的工作,首先对所建立的圆盘模型中的速度场进行化简并推导,然后在Jeffery运动方程的基础上,通过随体坐标系法和计算机编程对所建立的圆盘模型算例中的纤维取向状态进行数值求解。另一方面通过实验的方法利用偏光显微镜获得两个实际的圆盘制件中的纤维取向情况,并将实验结果与数值分析的结果进行对比讨论。通过数值模拟与实验相结合的方法,得到了圆盘模型中纤维取向的总体情况,主要有以下几点结论:(1)圆盘模型流场中的纤维沿高度方向分别受到不同的剪切作用和拉伸作用,并且纤维取向不受初始取向角的影响。(2)在模型的表面层,纤维只受到剪切作用,其取向主要是平行于流场方向,并在较长的时间内处于该取向方向,只在极短的时间内进行翻转。(3)在模型的中心层,纤维只受到流场的拉伸作用,纤维的取向状态则主要是平行于拉伸方向即垂直于流场方向。(4)在模型表层和中心层之间的中间层位置,纤维同时受到拉伸作用和剪切作用,其取向情况则是前面两种情况的组合,一部分纤维主要平行于流场方向取向,一部分主要垂直于流场方向取向。并且沿着高度方向,当剪切作用处于主导地位时,纤维将较多地平行于流场方向取向,当拉伸作用占主导地位时,纤维将较多地沿平行于拉伸方向取向。
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