CN103366085A - 编织复合材料力学性能的多尺度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，包括以下步骤：1)输入初始参数；2)根据自下向上均匀化过程，依次计算纤维/基体尺度、纤维束尺度和单胞尺度的弹性刚度阵；3)构建多尺度关联矩阵；4)对单胞整体进行应力应变分析，并通过多尺度关联矩阵将应力自上向下进行分解，同步得到各级尺度下的应力应变场；5)根据纤维和基体各自的失效准则判断组分材料是否失效，若为是，即对相应的组分材料进行刚度折减；6)判断单胞整体是否失效，若为是，执行步骤7)，否则，添加下一位移增量，并返回步骤2)；7)输出编织复合材料的刚度与强度计算结果。与现有技术相比，本发明具有计算效率高、精度高、通用性强等优点。

Description

编织复合材料力学性能的多尺度预测方法

技术领域

本发明涉及一种编织复合材料力学性能预测方法，尤其是涉及一种复合材料力学性能的多尺度预测方法。

背景技术

编织复合材料在改进层间层内强度、损伤容限和热应力分配等方面具有巨大的潜力，近年来在各工业领域得到了广泛的应用。编织复合材料的细观结构十分复杂，影响其力学性能的因素很多，如组分材料的性能、纤维体积含量、纤维弯曲角度、纤维交织方式、制造误差等，使得其力学性能的预测成为一项复杂而又富有挑战性的工作。目前，国内外一般采用两类方法来计算编织复合材料的力学性能，即解析法和数值法。数值法利用有限元技术，建立编织复合材料细观结构的有限元模型，通过数值运算预测编织复合材料的刚度和强度。这种方法虽可以模拟出编织复合材料的内部结构，但需要花费大量的时间与计算机资源来进行建模分析，且很难保证计算的精度和效率。现有的解析法能够根据组成材料的力学性能和几何参数来确定编织复合材料的宏观力学性能，但也存在一些缺陷：(1)忽略了尺度间的关联作用，导致其计算精度不高；(2)只能得到宏观力学性能，无法同时获取纤维束尺度及纤维/基体尺度的应力应变场；(3)难以考虑制造误差对其力学性能的影响；(4)采用复杂的几何函数来描述纤维束的交织方式，导致计算效率低下；(5)通用性不强，难以计算复杂的编织构型，如三轴编织复合材料或三维编织复合材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算效率高、精度高、通用性强、考虑尺度间关联的编织复合材料力学性能的多尺度预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)输入初始参数，并施加初始位移载荷；

2)根据自下向上均匀化过程，依次计算纤维/基体尺度、纤维束尺度和单胞尺度的弹性刚度阵；

3)基于连续介质力学与均匀化理论，构建多尺度关联矩阵；

4)对单胞整体进行应力应变分析，并通过步骤3)中的多尺度关联矩阵将应力自上向下进行分解，同步得到各级尺度下的应力应变场；

5)根据纤维和基体各自的强度准则判断组分材料是否失效，若为是，即对相应的组分材料进行刚度折减，并执行步骤6)，否则，直接执行步骤6)；

6)判断单胞整体是否失效，若为是，执行步骤7)，否则，施加下一位移增量，并返回步骤2)；

7)停止计算，输出编织复合材料的刚度与强度计算结果。

所述的初始参数包括纤维/基体尺度下各组分材料的力学性能参数及编织结构的几何参数。

所述的纤维/基体尺度的弹性刚度阵计算过程具体如下：

基于单胞解析模型划分子胞，之后根据纤维、基体子胞间的位移连续与应力连续条件求解得到单向纤维增强复合材料的刚度阵。

所述的纤维束尺度的弹性刚度阵计算过程具体如下：

采用正弦函数来描述织物的卷曲构型，通过将各微段沿纤维束方向进行积分，计算得到整体纤维束的刚度阵，其中各微段均可视为单向纤维增强复合材料。

所述的单胞尺度的弹性刚度阵计算过程具体如下：

采用等应变假设，将各层纤维束的刚度阵取体积平均，从而得到单胞整体的刚度阵。

所述的通过步骤3)中的多尺度关联矩阵将应力自上向下进行分解的过程具体如下：

首先基于等应变假设，将编织复合材料单胞整体的应力分配到每一层纤维束中，得到单层纤维束的应力应变场；再根据多尺度关联矩阵，将每一层纤维束的应力分配到单个纤维/基体子胞中，从而求出局部组分材料的应力应变场。

所述的判断组分材料是否失效，是采用纤维和基体的强度值来判断局部组成部分是否失效。

所述的单胞整体失效即为各层纤维全部失效。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)基于严密的理论推导，具有足够的计算精度。

(2)通过构建多尺度应力关联矩阵，考虑了各级尺度间的关联，可同步获取纤维/基体尺度、纤维束尺度、单胞尺度下的应力应变场，能模拟出试验过程中难以捕捉的失效过程，揭示了编织复合材料的失效机理及破坏过程，有助于实现在加工制备之前对复合材料进行细观量级的优化设计。

(3)计算过程中只需给出纤维和基体的材料属性、纤维体积含量及织物几何构型、纤维体积含量，无需测定编织复合材料中纤维束的弹性和强度参数。这有利于减少试验量，甚至可以预测、评估试验，为工程应用提供了极大方便。

(4)能够考虑制造误差对其力学性能的影响。

(5)采用简单的正弦函数来描述纤维束的交织方式，计算效率高。

(6)通用性强，能够计算复杂的编织构型如三轴编织复合材料或三维编织复合材料，易于推广。

附图说明

图1为本发明多尺度预测方法示意图；

图2为本发明具体的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明方法，主要考虑纤维/基体尺度、纤维束尺度和单胞尺度。本发明先根据自下向上均匀化方法求出编织复合材料的刚度，再通过构建多尺度关联矩阵，依据自上向下应力分解方法将宏观应力分配到局部组成部分中，并采用纤维/基体尺度下的细观强度准则进行失效分析，最终计算得到编织复合材料的强度。

自下向上均匀化方法依次考虑纤维/基体尺度、纤维束尺度、单胞尺度。纤维/基体尺度为单向纤维增强复合材料，基于单胞解析模型划分子胞，之后根据纤维、基体子胞间的位移连续与应力连续条件求解得到单向纤维增强复合材料的刚度阵。纤维束尺度采用正弦函数来描述织物的卷曲构型，通过将各微段(微段可视为单向纤维增强复合材料)沿纤维束方向进行积分，计算得到整体纤维束的刚度阵，且可以通过改变卷曲几何参数来考虑纤维束加工制造误差对其刚度阵的影响。单胞尺度采用等应变假设，将各层纤维束的刚度阵取体积平均，从而得到单胞整体的刚度阵，即编织复合材料的宏观刚度阵。

多尺度关联矩阵是根据连续介质力学与均匀化理论，推导得出的各尺度间应力关联矩阵。

自上向下应力分解方法首先基于等应变假设，将编织复合材料的宏观应力(单胞尺度)分配到每一层纤维束中(纤维束尺度)，得到单层纤维束的应力应变场；再根据多尺度关联矩阵，将每一层纤维束的应力分配到单个纤维/基体子胞中，从而求出局部组分材料的应力应变场。

失效分析采用细观失效准则，首先根据组分材料(纤维和基体)的强度值判断局部组成部分是否失效，一旦失效即对失效的组分材料进行相应的刚度折减；最后再判断单胞是否失效，一旦各层纤维全部失效即认为单胞整体失效。此时编织复合材料失去承载能力，计算终止。

本发明需要的已知量为各组分材料(纤维和基体)的力学性能参数，编织复合材料各层纤维束的编织角度、各层纤维束中的纤维体积含量、各层纤维束在单胞中的体积百分比，以及纤维束的卷曲几何参数。

本发明可以得到各级尺度下的刚度阵和应力应变场，最终得到编织复合材料的刚度、强度、渐进失效的过程。

如图2所示，主要由输入及更新参数1，自下向上均匀化方法2，自上向下应力分解方法3，局部失效分析4，整体失效判断5及输出最终计算结果6组成。

具体过程如下：

1)输入纤维/基体尺度下各组分材料的力学性能参数及编织结构的几何参数；

2)根据图中所示的自下向上均匀化过程，依次求解纤维/基体尺度(采用单胞解析模型)、纤维束尺度(采用正弦函数)、单胞尺度(采用等应变假设)的弹性刚度阵；

3)基于连续介质力学与均匀化理论，构建多尺度关联矩阵；

4)对单胞整体进行应力应变分析，并通过上述多尺度关联矩阵将应力自上向下进行分解，同步得到各级尺度下的应力应变场；

5)考虑细观损伤状态，首先根据纤维和基体各自的强度准则判断组分材料失效与否，一旦失效即对相应的组分材料进行刚度折减；

6)判断单胞整体是否失效，一旦各层纤维全部失效即认为单胞失效，此时该编织复合材料失去承载能力，计算终止；

7)输出编织复合材料的刚度与强度计算结果。

Claims (8)

1.一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)输入初始参数，并开始施加位移增量；

2)根据自下向上均匀化过程，依次计算纤维/基体尺度、纤维束尺度和单胞尺度的弹性刚度阵；

3)基于连续介质力学与均匀化理论，构建多尺度关联矩阵；

4)对单胞整体进行应力应变分析，并通过步骤3)中的多尺度关联矩阵将应力自上向下进行分解，同步得到各级尺度下的应力应变场；

5)根据纤维和基体各自的强度准则判断组分材料是否失效，若为是，即对相应的组分材料进行刚度折减，并执行步骤6)，否则，直接执行步骤6)；

6)判断单胞整体是否失效，若为是，执行步骤7)，否则，添加下一位移增量，并返回步骤2)；

7)停止计算，输出编织复合材料的刚度与强度计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的初始参数包括纤维/基体尺度下各组分材料的力学性能参数及编织结构的几何参数。

3.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的纤维/基体尺度的弹性刚度阵计算过程具体如下：

基于单胞解析模型划分子胞，之后根据纤维、基体子胞间的位移连续与应力连续条件求解得到单向纤维增强复合材料的刚度阵。

4.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的纤维束尺度的弹性刚度阵计算过程具体如下：

采用正弦函数来描述织物的卷曲构型，通过将各微段沿纤维束方向进行积分，计算得到整体纤维束的刚度阵，其中各微段均可视为单向纤维增强复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的单胞尺度的弹性刚度阵计算过程具体如下：

采用等应变假设，将各层纤维束的刚度阵取体积平均，从而得到单胞整体的刚度阵。

6.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的通过步骤3)中的多尺度关联矩阵将应力自上向下进行分解的过程具体如下：

首先基于等应变假设，将编织复合材料单胞整体的应力分配到每一层纤维束中，得到单层纤维束的应力应变场；再根据多尺度关联矩阵，将每一层纤维束的应力分配到单个纤维/基体子胞中，从而求出局部组分材料的应力应变场。

7.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的判断组分材料是否失效，是采用纤维和基体的强度值来判断局部组成部分是否失效。

8.根据权利要求1所述的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法，其特征在于，所述的单胞整体失效即为各层纤维全部失效。