纖維增強聚合物熔體的纖維取向和流場應力分析

       針對纖維增強聚合物基復合材料的成型流動過程，基于宏觀流場、介觀纖維取向和微觀聚合物大分子鏈三尺度信息耦合的多尺度模型，使用有限體積法和有限差分法相結合的數值算法，分析了纖維增強聚合物熔體在收縮流腔中的流動行為，得到了其纖維取向和應力分布，并討論了纖維存在對聚合物熔體流場應力的影響。結果表明：當剪切運動占優時，纖維呈現周期旋轉取向；而拉伸運動占優時，纖維沿單軸拉伸取向。同時，由于纖維的周期旋轉，纖維增強聚合物熔體法向應力差的空間分布呈現出隨時間逐步發展的擬序渦結構。

      在纖維增強復合材料注塑成型過程中，熔體經過剪切、拉伸、應力變化、溫度變化等作用，其結構和性能也隨之變化，加上注塑工藝等影響，使材料制品在成型過程中由于各向異性而產生不同程度的殘余應力，從而影響材料制件最終的力學性能。作為復合材料殘余應力的一部分，纖維引起的殘余流動應力是制品產生各向異性的主要原因之一，它和殘余熱應力一起對材料制件的最終性能產生影響。目前對殘余應力的研究大多集中在殘余熱應力上，鮮有對殘余流動應力的分析。殘余流動應力計算的關鍵在于模型的建立，為此本文中將采用多尺度模型對等溫聚合物熔體的流動情況進行應力分析，以便進一步從不同尺度研究復合材料的殘余流動應力。

      流場應力分布與纖維取向密切相關，這是由于短纖維增強聚合物基復合材料制品的許多性能與纖維的取向有關。由于復合材料在纖維取向方向的力學性能優于垂直取向方向的力學性能，纖維取向會通過熔接線和邊壁效應等改變材料的機械特性，使成型制品呈現明顯的各向異性。因此為了研究流場應力分布，有必要對纖維取向分布進行分析。

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