CN103279609A

CN103279609A - 含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法

Info

Publication number: CN103279609A
Application number: CN2013102083362A
Authority: CN
Inventors: 张冬梅; 刘奎; 杨林; 黄姿禹; 叶金蕊; 张博明; 于雅琳
Original assignee: Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd; Beihang University
Current assignee: Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd; Beihang University
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: CN103279609B

Abstract

本发明提供一种含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，包括：a)针对复合材料的孔隙特征，在DIGIMAT软件中输入建模参数，建立细观几何模型；b)将步骤a)中建立的细观几何模型导入ABAQUS软件中，对复合材料进行约束并划分网格，建立有限元模型；c)对复合材料模拟施加超声波激励；d)保存模型数据，进行超声衰减仿真计算；e)提取压强场分布云图，对所述孔隙特征情况下对应模型的超声衰减进行结果表征，通过对不同位置的超声波声压分布进行计算，得出超声衰减系数。本发明可反映复合材料真实微结构和细观材料属性，并可得到超声衰减系数与孔隙率之间的定量关系，为复合材料孔隙率无损检测提供重要的理论依据和技术基础。

Description

含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法

技术领域

本发明涉及一种有限元仿真分析方法，尤其涉及基于细观力学的有限元仿真分析方法在含孔隙复合材料无损检测中的应用。

背景技术

对于关系到飞行安全的复合材料结构制件，必须对工艺过程导致的缺陷和损伤进行无损检测，在制造方的工艺规范中会给出这些缺陷的接收/拒收标准。其中，利用超声无损检测技术对复合材料制件内部的孔隙和孔隙率进行检测评价是民机复合材料结构制造的重要技术环节。

对于含孔隙复合材料的超声无损检测而言，针对孔隙特征（即孔隙的分布、含量、几何形状与尺寸）建立解析模型用以研究孔隙率与超声衰减二者关系成为一种发展趋势。解析方法大体分为两类，一类为基于声学物理分析的理论解析法：针对声学物理的过程建立超声衰减系数与孔隙率解析模型，考虑了超声波长和树脂、纤维的横纵波速等因素，但模型均将孔隙形态考虑为尺寸单一的球状或圆盘状，均匀或对数分布在复合材料中；然而实际孔隙宽长比变化范围很大，且分布具有明显的不规则性，因此解析结果与实验结果偏差较大。另一类为通过概率统计方法获得相应参数的统计解析法：假定树脂、碳纤维和孔隙等缺陷引起的衰减是各自独立的，总衰减为三者分别引起的衰减之和，采用统计分析法建立超声波与三相相互作用的二次方公式解析模型；然而，实际超声波与复合材料三相相互作用并非简单相加，且此解析模型并未考虑孔隙的形态和分布对于超声衰减影响，所需参数通过实验获取。因此，以上解析方法均将孔隙对超声波的作用单纯考虑为“相互独立”，而实际孔隙间是存在一定相互影响的。

另外，利用复合材料细观力学方法研究碳纤维增强复合材料的增强相（碳纤维）和损伤相（孔隙）对复合材料有效性能的影响是一种极为有效的手段。采用细观力学方法能够描述复合材料的细观结构对宏观响应的定量关系，可以对细观结构对载荷是如何响应和如何失效问题进行数值模拟。目前国内外利用复合材料微观尺度的对称性、周期性的特点，根据其细观的几何结构建立适当的代表性体积单元（Representative volume element,RVE），对其进行分析计算，得到复合材料宏观性能的细观分析方法，并且已经得到了普遍的应用，但由于孔隙的尺寸和分布具有随机性，采用传统的有限元模拟无法精确建立含孔隙复合材料的模型，因此对于含孔隙的复合材料从细观角度对超声波作为外界载荷的响应分析研究相对较少。

发明内容

本发明的目的是有利地将细观力学方法与有限元仿真分析方法相结合，提供一种基于细观力学的含孔隙碳纤维增强树脂基复合材料超声衰减系数的仿真分析方法，有效解决现有技术中解析模型的不精准性和有限元仿真模拟的局限性。

为此，根据本发明的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法包括如下步骤：

a）针对复合材料的孔隙特征，在DIGIMAT软件中输入建模参数，建立细观几何模型；

b）将步骤a）中建立的细观几何模型导入ABAQUS软件中，对复合材料进行约束并划分网格，建立有限元模型；

c）对复合材料模拟施加超声波激励；

d）保存模型数据，进行超声衰减仿真计算；

e）提取压强场分布云图，对所述孔隙特征情况下对应模型的超声衰减进行结果表征，通过对不同位置的超声波声压分布进行计算，得出超声衰减系数。

有利地，在步骤a）中，所述建模参数包括RVE长度尺寸a（mm）、宽度尺寸b(mm)；复合材料相CFRP，拉伸模量E(Pa)，剪切模量G(Pa)，密度ρ(g/cm³)，泊松比λ；孔隙相VOID，体积分数x%，孔隙长径比f，孔隙长度c(mm)。

进而，通过步骤a），在DIGIMAT软件中建立CFRP-VOID模型，记为模型A，并保存为CFRP-VOID-A.stp文件。这里模型A表示含孔隙体积分数为x%的碳纤维增强树脂基复合材料的模型。

有利地，在步骤b）中，采用简支梁的方式对复合材料进行位移、旋转等方面的自由度约束，并完成对复合材料载荷、约束的设定。

有利地，在步骤c）中，采用汉宁窗形式的压力包络波作为超声波激励施加在模型的一侧。

有利地，在步骤d）中，采用显式算法进行计算。

优选地，在步骤e）中，利用公式p＝p₀e^-αx计算超声衰减系数，其中x为两点之间的距离，P₀、P分别为两点处压强数值，α为超声衰减系数。

本发明利用DIGIMAT软件在建立几何模型方面的优势，建立了精准的含不同孔隙率碳纤维树脂基复合材料模型，避免了ABAQUS软件在建立复杂细观两相模型时的缺憾；同时通过DIGIMAT与有限元分析软件ABAQUS的接口将模型导入进行数值分析，利用ABAQUS软件强大的有限元仿真计算功能，将声学物理与复合材料细观结构学相联系，解析复杂多相体系中各相、各界面与超声波的相互作用，可以反映复合材料真实微结构和细观材料属性，有效指导试验过程，并利用计算细观力学原理进行模拟，求解出超声衰减系数的数值，最终得到超声衰减系数与孔隙率之间的定量关系，为复合材料孔隙率无损检测提供重要的理论依据和技术基础。本发明的细观仿真分析方法思路清晰，方便技术人员掌握和使用，且同样适用于其他类型含孔隙复合材料超声衰减系数的仿真分析。

附图说明

本发明的更多特征及优点将通过下面结合附图对具体实施方式的进一步详细说明来更好地理解。其中：

图1为根据本发明的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法的工作流程示意图；

图2A为将DIGIMAT软件中建立的细观几何模型导入ABAQUS软件后形成的含孔隙复合材料模型示意图；

图2B为ABAQUS软件的前处理模块中对复合材料约束设定并划分网格后建立的含孔隙复合材料有限元模型示意图；

图3为对复合材料施加的超声波激励的示意图；

图4为提取的压强场随时间变化的分布云图；

图5A和5B分别示出了在含孔隙复合材料有限元模型中不同位置的超声波声压分布示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

为了方便简化，本发明做如下假设：1）复合材料中为连续纤维且纤维在树脂中均匀分布，使得除孔隙外的复合材料性质均一且具有各向异性；2）复合材料在超声波传播方向厚度均匀；3）采用理想弹塑性模型进行仿真计算。

如图1所示的工作流程示意图，根据本发明基于细观力学的含孔隙碳纤维增强树脂基复合材料超声衰减系数的仿真分析方法主要由两个软件来实现。

所述仿真分析方法的详细步骤如下：

a）细观几何模型的建立

选取含孔隙率为1%的碳纤维增强树脂基复合材料作为实施对象，在DIGIMAT软件中输入建模参数建立细观几何模型，建立的RVE长度尺寸为a=0.9mm，宽度尺寸为b=0.5mm；复合材料相用CFRP表示，拉伸模量为E，剪切模量为G，密度为ρ，泊松比为λ；孔隙相用VOID表示，体积分数为x%，孔隙长径比为f，孔隙长度为c。具体参数如表1所示。

表1：DIGIMAT输入参数

在DIGIMAT软件中建立的CFRP-VOID模型，记为模型A，模型A表示含孔隙体积分数为x%的碳纤维增强树脂基复合材料的模型，保存为CFRP-VOID-A.stp文件。

b）有限元模型的建立

将步骤a）中建立的A模型的数据文件导入大型商用有限元软件ABAQUS软件中，如图2A，其中孔隙由数字1标识。在ABAQUS软件前处理模块中，根据实际情况，完成对复合材料约束的设定，并划分有限元网络，建立起有限元分析模型，如图2B所示。

复合材料波速v计算得出：

一个波长至少传播10个网格左右，设置网格尺寸3e-5m；声波传递总时间大约2-5个周期。

c）对复合材料模拟施加超声波激励

在该实施例中，可对复合材料施加2.5MHz超声频率下的激励，如图3所示。

d）保存模型数据，采用显示算法进行超声衰减仿真计算。

e）提取压强场分布云图，对所述孔隙特征情况下对应模型的超声衰减进行结果表征，通过对不同位置的超声波声压分布进行计算，得出超声衰减系数

超声衰减系数的计算利用公式p＝p₀e^-αx，其中x为两点之间的距离，即为0.5mm，P₀、P分别为激励施加处和传播距离0.5mm处两点压强包络波波峰数值。

本实施例计算得到的超声衰减系数为：

α=20/x*log(P₀/P)=20/5*log(1e-6/2.38e-7)=3.118dB/mm

如图4所示，可以看出超声波在含有孔隙（由数字1标识）缺陷的复合材料中的传播状态，孔隙边缘类似自由边界，应力波到达孔隙边界时，发生反射和衍射，形成水波状的反射波，而衍射继续传播的声波与入射波相互叠加，最终呈现较复杂的声场。图5A和图5B分别示出了在含孔隙复合材料有限元模型中不同位置的超声波声压分布示意图，通过计算得出的超声衰减系数数值，并绘制碳纤维增强复合材料孔隙率与对应的超声衰减系数的关系曲线图，最终可得到超声衰减系数与孔隙率之间的定量关系。

本发明的研究结果可应用于民机复合材料结构设计、工艺制造中，一方面可以大量减少实验量，降低研究成本，同时也可为复合材料孔隙率无损检测提供重要的理论依据和技术基础，对于将复合材料应用于民机结构具有广阔的前景。此外，本发明应用广泛，只要与含孔隙复合材料的超声衰减检测相关领域都可以进行此项发明的应用。

上述实施例仅用来进一步说明本发明，但本发明并不局限于该实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括：

a)针对复合材料的孔隙特征，在DIGIMAT软件中输入建模参数，建立细观几何模型；

b)将步骤a)中建立的细观几何模型导入ABAQUS软件中，对复合材料进行约束并划分网格，建立有限元模型；

c)对复合材料模拟施加超声波激励；

d)保存模型数据，进行超声衰减仿真计算；

e)提取压强场分布云图，对所述孔隙特征情况下对应模型的超声衰减进行结果表征，通过对不同位置的超声波声压分布进行计算，得出超声衰减系数。

2.根据权利要求1所述的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，其特征在于，在步骤a)中，所述建模参数包括代表性体积单元长度尺寸、宽度尺寸；复合材料相，拉伸模量，剪切模量，密度，泊松比；孔隙相，体积分数，孔隙长径比，孔隙长度。

3.根据权利要求1所述的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，其特征在于，在步骤b)中，采用简支梁的方式对复合材料进行约束。

4.根据权利要求1所述的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，其特征在于，在步骤c)中，采用汉宁窗形式的压力包络波作为超声波激励。

5.根据权利要求1所述的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，其特征在于，在步骤d)中，采用显式算法进行计算。

6.根据权利要求1所述的含孔隙复合材料超声衰减系数的细观仿真分析方法，其特征在于，在步骤e)中，利用公式p＝p₀e^-αx计算超声衰减系数，其中x为两点之间的距离，P₀、P分别为两点处压强数值，α为超声衰减系数。