CN103914593A - 层状复合材料力学行为的虚拟预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及力学性能表征领域，具体为一种层状复合材料力学行为的虚拟预测方法。该方法包括下列步骤：（1）在有限元软件(例如Abaqus)中建立层状复合材料的三维模型；（2）对步骤（1）中建立的几何模型进行网格划分并施加约束；（3）模拟层状复合材料拉伸变形行为，提取真应力应变曲线；（4）利用真实层状复合材料的拉伸力学性能对模型参数进行校正。本发明利用宏-细观多尺度耦合有限元方法，准确预测层状复合材料塑性变形过程中的力学行为，同时由于耦合了基体和界面的损伤演化模型，可以用于预测复合材料的拉伸力学性能指标、复合板材的杯凸、拉深等成形性指标，也可用于复合板冲压、拉深等成形过程金属流动和成形极限的虚拟预测分析。
Description
技术领域
本发明涉及力学性能表征领域，具体为一种层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，属于有限元仿真模拟方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优化原组成材料而满足各种不同的要求。随着世界范围内的能源短缺，燃料持续涨价等问题的不断出现，复合材料因具有其独特的优点与性能越来越得到人们的重视，呈现了一个蓬勃发展的趋势，如优异的比强度和比刚度、高耐蚀性、良好的疲劳耐久性以及价低低廉等。
层状复合材料作为复合材料的一种，其工艺相对简单，在航天、石油、机械、汽车、电力等领域得到了广泛的应用。层状复合材料的加工方法多种多样，如：焊接成形法、直接轧制复合法、直接浇铸复合法、浸入法、喷射成形法、电磁连铸法、半固态压力复合法等。虽然复合材料在诸多方面具有明显的优势，但是其存在的问题也很多，从目前的研究现状来看，主要有以下几个方面：①应用与开发相关模拟软件，开展性能与材料组元、结构、加工关系的数值模拟；②界面结合与断裂机理的分析；③根据扩散原理，建立金属结合面扩散动力学模型，分析和预测扩散层厚度；④根据复合材料加工工艺，预测具有不同厚度与界面结构的复合材料其界面结合强度等力学行为。目前，国内外学者对层状复合材料的界面结合机理与扩散模型等进行了广泛深入的研究，但是对复合材料的界面结合强度等力学行为的预测却鲜有报道。
层状复合材料根据不同的加工工艺，其界面会呈现出不同的形态以及不同厚度的扩散层厚度，这些扩散层厚度对层状复合材料的结合强度等力学性能具有显著的影响，为了研究层状复合材料的界面结构与层状材料厚度对其力学行为的影响，有必要对其进行力学行为模拟分析，从而优化层状复合材成型工艺。
发明内容
基于上述构思，本发明的目的在于提出一种层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，利用Abaqus仿真模拟软件可以模拟具有真实界面的层状复合材料其拉伸过程，并预测层状复合材料的力学性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，包括下列步骤：
（1）在Abaqus软件中建立层状复合材料的三维模型；
（2）对步骤（1）中建立的几何模型进行网格划分并施加约束；
（3）模拟层状复合材料拉伸变形行为，提取真应力应变曲线；
（4）利用真实层状复合材料的拉伸力学性能对模型参数进行校正。
有利地，步骤（1）中，所建立的层状复合材料三维模型其各层材料的参数（建模参数）都是基于真实实验结果获得的，且层状复合材料与其界面的结构也是基于材料的真实结构。其中，建模参数包括材料的密度、塑性、泊松比、弹性模量以及损伤模型参数。
有利地，步骤（2）中，所施加的约束与真实拉伸过程相一致，模拟过程真实地还原实验过程。
有利地，步骤（4）中，根据层状复合材料的实验真实数据对模型参数进行校正，修改层状复合材料与其界面的损伤模型参数，最终得到的层状复合材料模型模拟结果与真实实验结果基本一致，由此可对具有不同厚度与界面结构的层状复合材料进行力学行为虚拟预测。
本发明的优点及有益效果是：
1、采用本发明提出的方法来预测层状复合材料的力学行为更接近材料的实际使用要求，在进行层状复合材料的仿真拉伸模拟过程中，可以更有效的仿真层状复合材料的断裂行为，真实预测该层状复合材料的力学性能。从而，通过改变层状复合材料的层厚度与其界面结构可以获得不同的力学性能，根据实际使用要求调整复合材料的加工工艺。
2、本发明方法包括下列步骤：（1）在有限元软件(例如Abaqus)中建立层状复合材料的三维模型；（2）对步骤（1）中建立的几何模型进行网格划分并施加约束；（3）模拟层状复合材料拉伸变形行为，提取真应力应变曲线；（4）利用真实层状复合材料的拉伸力学性能对模型参数进行校正。拉伸试验是在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标等，因此采用有限元方法对具有不同厚度与界面结构的层状复合材料进行拉伸行为模拟，可预测其力学性能，这对于指导层状复合材料的生产具有重要意义。
3、本发明通过建立具有真实界面结构的层状复合材料拉伸仿真模拟，可以较为准确的预测层状复合材料的拉伸断裂过程与力学行为，以便根据层状复合材料的使用条件准确调整层状复合材料的加工工艺。
附图说明
图1是根据本发明的层状复合材料力学行为虚拟预测方法的示意流程图；
图2是根据本发明建立的Cu/Al层状复合材料的仿真拉伸模拟模型；
图3是对图2中建立的几何模型进行网格划分并施加约束后的有限元模拟模型；
图4是Cu/Al层状复合材料模拟结果示意图；
图5是根据Cu/Al真实拉伸曲线进行修正后得到的模拟结果与真实结果对比图。
具体实施方式
下面根据实施例和附图对本发明的诸多特征以及优点进行进一步的详细解释和说明。
如图1所示，本发明层状复合材料力学行为的虚拟预测方法流程如下：层状复合材料三维仿真模拟模型的建立→对几何模型进行网格划分并施加约束→模拟层状复合材料拉伸变形行为→根据真实试验结果对模型参数进行校正并提取模拟结果→对比模拟结果与真实试验结果，主要包括如下步骤：
（1）建立几何模型
本发明几何模型是根据真实Cu/Al拉伸试样建立而成的，首先通过直接轧制法轧制层状Cu/Al复合材料并将其加工成拉伸试样，根据真实拉伸试样可获得如下几何模型信息：Cu层材料厚度、Al层材料厚度、拉伸试样尺寸以及通过扫描电子显微镜等观察到的Cu/Al层状复合材料界面形态。值得一提，附图2中的Cu/Al层状复合材料由于没有经过轧制后热处理，因此其界面没有形成中间化合物，而基于本发明的原理，也可以预测层状复合材料经过热处理后形成金属间化合物的情况。
在该实施例中，需要输入的复合材料体系相关的具体参数如表1所示。
表1复合材料建模所需参数
在Abaqus软件建模板块，根据三维模型的具体几何信息以及上表的性能参数等建立的三维几何模型如图2所示。
本发明中，采用Abaqus软件建立三维几何模型为常规技术，请参见文献：伍开松,余长柏,古剑飞等.基于ABAQUS模拟钻柱裂纹萌生和扩展.机械.2008,35(9):44-46。
（2）对步骤（1）建立的几何模型进行网格划分并施加约束；本实施例中，在Cu/Al层状复合拉伸试样的上端施加一个速度，具体为10mm/s以及约束下端的自由度等，划分网格并施加约束后的三维几何模型如图3所示。
（3）模拟层状复合材料拉伸变形行为，使其断裂，如图4所示，并在结果输出中提取该模型的真应力应变曲线；
（4）利用真实层状复合材料的拉伸力学性能对模型参数进行校正；对真实Cu/Al层状复合拉伸试样进行拉伸实验，将实验真实结果与模拟结果相比较，修正损伤模拟参数，最终得到的层状复合材料模型模拟结果与真实实验结果基本一致，如图5所示。
在层状复合材料结构更加复杂的情况下，如材料种类增多、层数增多、界面产生扩散层等，这些情况均可采用本发明的层状复合材料力学行为的虚拟预测方法来实现力学性能的预测。此方法对于调整层状复合材料的工艺，指导层状复合材料的工业生产具有非常重要的意义。
实施例结果表明，本发明基于层状复合材料真实的界面结构，考虑界面结构对力学行为的影响，利用宏-细观多尺度耦合有限元方法，准确预测层状复合材料塑性变形过程中的力学行为，同时由于耦合了基体和界面的损伤演化模型，可以用于预测复合材料的拉伸力学性能指标，复合板材的杯凸、拉深等成形性指标，也可用于复合板冲压、拉深等成形过程金属流动和成形极限的虚拟预测分析。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，但是本发明并不拘泥于实施例，凡是根据本发明的技术实质对以上实施例进行任何的简单修改与修饰等均落入本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）在Abaqus软件中建立层状复合材料的三维模型；
（2）对步骤（1）中建立的几何模型进行网格划分并施加约束；
（3）模拟层状复合材料拉伸变形行为，提取真应力应变曲线；
（4）利用真实层状复合材料的拉伸力学性能对模型参数进行校正。
2.根据权利1所述的层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，其特征在于，步骤（1）中，所建立的层状复合材料三维模型其各层材料的参数都是基于真实实验结果获得的，且层状复合材料与其界面的结构也是基于材料的真实结构。
3.根据权利1所述的层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，其特征在于，步骤（1）中，复合材料的三维模型建模参数包括材料的密度、塑性、泊松比、弹性模量以及损伤模型参数。
4.根据权利1所述的层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，其特征在于，步骤（2）中，所施加的约束与真实拉伸过程相一致，模拟过程真实地还原实验过程。
5.根据权利1所述的层状复合材料力学行为的虚拟预测方法，其特征在于，步骤（4）中，根据层状复合材料的实验真实数据对模型参数进行校正，修改层状复合材料与其界面的损伤模型参数，最终得到的层状复合材料模型模拟结果与真实实验结果基本一致，由此可对具有不同厚度与界面结构的层状复合材料进行力学行为虚拟预测。
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