纤维增强聚合物熔体的纤维取向和流场应力分析

       针对纤维增强聚合物基复合材料的成型流动过程，基于宏观流场、介观纤维取向和微观聚合物大分子链三尺度信息耦合的多尺度模型，使用有限体积法和有限差分法相结合的数值算法，分析了纤维增强聚合物熔体在收缩流腔中的流动行为，得到了其纤维取向和应力分布，并讨论了纤维存在对聚合物熔体流场应力的影响。结果表明：当剪切运动占优时，纤维呈现周期旋转取向；而拉伸运动占优时，纤维沿单轴拉伸取向。同时，由于纤维的周期旋转，纤维增强聚合物熔体法向应力差的空间分布呈现出随时间逐步发展的拟序涡结构。

      在纤维增强复合材料注塑成型过程中，熔体经过剪切、拉伸、应力变化、温度变化等作用，其结构和性能也随之变化，加上注塑工艺等影响，使材料制品在成型过程中由于各向异性而产生不同程度的残余应力，从而影响材料制件最终的力学性能。作为复合材料残余应力的一部分，纤维引起的残余流动应力是制品产生各向异性的主要原因之一，它和残余热应力一起对材料制件的最终性能产生影响。目前对残余应力的研究大多集中在残余热应力上，鲜有对残余流动应力的分析。残余流动应力计算的关键在于模型的建立，为此本文中将采用多尺度模型对等温聚合物熔体的流动情况进行应力分析，以便进一步从不同尺度研究复合材料的残余流动应力。

      流场应力分布与纤维取向密切相关，这是由于短纤维增强聚合物基复合材料制品的许多性能与纤维的取向有关。由于复合材料在纤维取向方向的力学性能优于垂直取向方向的力学性能，纤维取向会通过熔接线和边壁效应等改变材料的机械特性，使成型制品呈现明显的各向异性。因此为了研究流场应力分布，有必要对纤维取向分布进行分析。

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