CN103970969A - 一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法。该方法基于偏光显微镜技术获得的纤维和基体的尺寸大小、空间分布情况，以及已知的组分材料的性能，使用有限元软件对材料的双轴试验进行模拟，同时确定试验过程中材料的破坏机理及过程。将有限元软件模拟的结果与双轴试验机获得的真实数据进行对比，当两者几乎完全吻合时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。本发明操作简单，可重复性强，对编织复合材料各种复杂载荷情况均试用，能更精确地、全面地反映编织复合材料在复杂载荷情况下的力学响应，特别地能够直观反映在试验中不能观察到的材料微观破坏机理及过程。

Description

一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法

技术领域

本发明属于试验测定材料参数技术领域，涉及一种编织复合材料的双轴试验参数测定方法。

背景技术

编织复合材料由于其具有良好的整体性，在航空航天领域得到了越来越多的应用，相应地增加了用科学的方法来表征材料性能的需要，以此来指导材料的设计和运用，而使用试验的方法来准确确定材料性能参数，无疑是这种需要中重要的基础性工作。编织复合材料的一个具体例子为3D编织复合材料，其不仅在X、Y两个方向上有增强的纤维，而且在Z方向也有增强的纤维棒，以此来对材料整个空间进行加强，纤维与基本之间采用特殊的工艺来加强两种不同材料之间的界面，使之构成一个整体性很强的材料。

编织复合材料力学性能的测试原理是将材料采用线切割等方法将材料加工成标准所规定的大小、尺寸，在力学试验机上进行简单力学性能试验，以此来确定材料的单轴拉伸模量、泊松比、强度；单轴压缩模量、泊松比、强度；剪切模量、强度。由于编织复合材料优异的特性，其使用环境特殊，往往承受的是复杂载荷形式，因此测量材料的双轴力学性能显得尤为重要。但材料双轴试验形式多样，不仅包括拉-拉、拉-压、拉-剪、压-剪等内容，而且每种还能设定不同的载荷比，每种不同的形式得到的数据差异很大，如何科学准确地通过双轴试验来表征材料的性能成为新的挑战。而双轴试验数据的获得无疑将完善材料的力学性能数据。

有限元软件模拟是一种强大的虚拟试验技术，将实验室中真实的试件在软件中进行建模操作，可以准确建立材料的空间分布和尺寸大小，并对模型的不同区域赋予相应的材料性能参数，完成真实材料模 型在虚拟试验中的重构，而且有限元软件业还有优秀的二次开发能力，一方面可以通过Python软件对有限元的数据文件进行直接操作，编写一个函数对具有相同特征的数据进行批量化处理，另一方面还可以通过编写Fortran用户子程序来考虑复杂受力条件下的损伤，最后将真实材料的受力情况施加给材料，通过软件求解来得到模拟结果。

编织复合材料很多是脆性材料，在试验加载过程中，表面出现初始裂纹到最终破坏时间短暂，很难观测到破坏过程，仅可以观察破坏后的形貌，使用有限元方法进行模拟不仅可以模拟材料的试验获得的材料性能数据，而且可能模拟材料的破坏过程，特别地可以模拟无法直接观察到的材料内部损伤、破坏过程。

发明内容

针对编织复合材料复杂载荷条件下的力学性能参数的测试与表征，本发明提出了一种用于测定参数的方法，即：基于偏光显微镜技术联合实验测量与有限元软件模拟的编织复合材料双轴力学性能试验性能参数测定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，包括如下步骤：

一、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值；

二、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量E_Tf和基体模量E_m；

三、(1)根据步骤一所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立；(2)将步骤二所确定的纤维束横向模量E_Tf、基体模量E_m，以及纤维生产厂家所提供的纤维束性能参数赋予模型， 而其余未直接得到的参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予；(3)编写Python软件操作Abaqus生成的inp文件，编写方程，施加周期性边界条件，将纤维/基体的界面考虑成0厚度的内聚力单元，编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD程序将两种不同材料及所对应的破坏准则改造成统一的形式；(4)模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减后继续进行迭代计算；(5)使用Abaqus自带的状态函数SDV表征材料破坏机理；(6)最后完成对各种复杂载荷情况下的双轴试验的模拟，得到模拟的应力-应变数据；

四、在双轴试验机上对编织复合材料进行双轴试验，进行不同载荷比的拉-拉、压-压、拉-压、拉-剪、压-剪试验，确定试验数据及观察破坏宏观形貌；

五、将模拟的结果同相应的双轴试验真实数据进行对比，调整步骤三中根据文献和经验确定的参数，使有限元模拟的结果逐渐接近真实数据；

六、当模拟的数据与真实数据接近，差异小于5％时，且保证状态函数SDV所表示的破坏形式与真实破坏相同时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。

本发明基于偏光显微镜技术获得的纤维和基体的尺寸大小、空间分布情况，以及已知的组分材料的性能，使用有限元软件对材料的双轴试验进行模拟，同时确定试验过程中材料的破坏机理及过程。将有限元软件模拟的结果与双轴试验机获得的真实数据进行对比，当两者几乎完全吻合时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。本发明操作简单，可重复性强，对编织复合材料各种复杂载荷情况均试用，能更精确地、全面地反映编织复合材料在复杂载荷情况下的力学响应，特别地能够直观反映在试验中不能观察到的材料微观破坏机理及过程，能够使用模拟的方法得到实验中无法直接进行测量的材料性能参数。

附图说明

图1为偏光显微镜观测到的材料形貌图；

图2为纳米压痕仪所记录的载荷-深度曲线示意图；

图3为Abaqus/CAE建立的材料模型；

图4为Abaqus/CAE建立的0厚度界面单元；

图5为对材料进行1∶1比例的双向压缩力学性能测试试验；

图6为经过合理化参数调整后的应力分布图；

图7为某增量步过程中Abaqus软件模拟的损伤云图；

图8为1∶1比例的双向压-压条件下真实数据与模拟数据比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，该方法需要完成不同形式的双轴试验，需要偏光显微镜、纳米压痕仪，需要有限元软件Abaqus和一定的编程能力，其包括如下步骤：

1、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值；

2、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量E_Tf和基体模量E_m；

3、根据步骤(1)所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立，然后将步骤(2)所确定的纤维束横向模量E_Tf、基体模量E_m，以及纤维生产厂家所提供的纤维纵向模量E_Lf、拉伸强度压缩强度等参数赋予模型，而其余未直接得到的参数，如纤维束和基体泊松比v、基体拉伸和压缩强度等参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予，接着编写Python软件操作Abaqus 生成的inp文件，编写方程，施加周期性边界条件，同时把纤维/基体的界面考虑成0厚度的内聚力单元(cohesive element)，方便赋予界面属性，这样就可以通过代表性体积单元来反映整体的性能，同时编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD，为表征损伤，采用国际上通用的准则，当基体为脆性材料时，如碳基体，则纤维束使用三维Hashin失效准则、基体采用最大应力失效准则的损伤判定程序，当基体为塑性材料时，如树脂，纤维束使用Tsai-Wu失效准则、基体采用Mises准则的损伤判定程序，模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减(一般取90％)后继续进行迭代计算，为使两种不同的材料在USDFLD一个程序中使用，本方法将纤维束失效准则和基体失效准则改造成统一的形式，方便程序正确调用，具体改造方式为，当纤维和基体的准则类似时，采用参数化分别对两种材料的参数赋不同的值，当纤维准则中出现基体所没有的准则时，将纤维的准则整体乘以一个参数β，令纤维的β值等于1，基体的β值等于0，如Hashin和最大应力准则的改造：纤维束L方向(纵向拉伸)(拉伸和压缩分别用下标t、c来区分)以及T/Z(横向和法向)拉伸和压缩剪切初始损伤判据为：

$F_{\mathrm{Lt}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_L}{F_L^t}\right)}^2+\mathrm{\α}{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LT}}}{F_{\mathrm{LT}}^s}\right)}^2+\mathrm{\α}{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ZL}}}{F_{\mathrm{ZL}}^s}\right)}^2\≥1---\left(1\right)$

$F_{\mathrm{Lc}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_L}{F_L^c}\right)}^2\≥1---\left(2\right)$

$F_{T\left(Z\right)t}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_T+{\mathrm{\σ}}_Z}{F_T^t}\right)}^2+\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TZ}}^2-{\mathrm{\σ}}_T{\mathrm{\σ}}_Z}{{\left(F_{\mathrm{TZ}}^s\right)}^2}\right)+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LT}}}{F_{\mathrm{LT}}^s}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ZL}}}{F_{\mathrm{ZL}}^s}\right)}^2\≥1---\left(3\right)$

$F_{T\left(Z\right)c}=\frac{1}{F_T^c}[{\left(\frac{F_T^c}{{2F}_{\mathrm{TZ}}^s}\right)}^2-1]({\mathrm{\σ}}_T+{\mathrm{\σ}}_Z)+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_T+{\mathrm{\σ}}_Z}{{2F}_{\mathrm{TZ}}^s}\right)}^2---\left(4\right)$

$+\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TZ}}^2-{\mathrm{\σ}}_T{\mathrm{\σ}}_Z}{{\left(F_{\mathrm{TZ}}^s\right)}^2}\right)+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LT}}}{F_{\mathrm{LT}}^s}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ZL}}}{F_{\mathrm{ZL}}^s}\right)}^2\≥1$

式中和——L，T和Z方向的纤维束拉伸强度；

和——L，T和Z方向的纤维束压缩强度；

和——LT，TZ和ZL方向纤维束剪切强度；

σ_L，σ_T，σ_Z，σ_LT，σ_ZL，σ_TZ——纤维束局部正应力和剪切应力；

α——贡献因子。

基体最大应力准则为：

$F_{\mathrm{Mt}}=\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_l^t\right|}{F_m^t}>1,F_{\mathrm{Mc}}=\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_l^c\right|}{F_m^c}>1---\left(5\right)$

式中——基体的拉伸和压缩应力；

——基体的拉伸和压缩强度。

显然1、2式和5式形式类似，令基体的贡献因子α为零，纤维束正常取值，纤维束的3、4式破坏形式基体不具有，则对3、4式整体乘以一系数β，令纤维的β值等于1，基体的β值等于0。另外使用Abaqus自带的状态函数(SDV)来表征以上1～5式子所表示的材料破坏机理，最后完成对各种复杂载荷情况下的双轴试验的模拟，得到模拟的应力-应变数据；

4、在双轴试验机上对编织复合材料进行双轴试验，进行不同载荷比的拉-拉、压-压、拉-压、拉-剪、压-剪试验，确定试验数据及观察破坏宏观形貌；

5、将模拟的结果同相应的双轴试验真实数据进行对比，调整步骤(3)中根据文献和经验确定的参数，使有限元模拟的结果逐渐接近真实数据；

6、当模拟的数据与真实数据接近，差异小于5％时，且保证状态函数(SDV)所表示的破坏形式与真实破坏相同时，表明此模拟方法有效，根据相关文献和经验确定并调整过的参数也得到了确定，同时使用Abaqus的强大后处理功能来表征的材料内部破坏形式及损伤发展过程亦可靠。

具体实施方式二：本实施方式以三向正交编织C/C复合材料1∶1载荷比的双向压缩实验为例进行具体说明：

1、使用偏光显微镜观测材料内部微观结构，可以清晰地观到材料内部纤维呈规则分布，为X、Y、Z三向正交分布，颜色最黑的区域为基体，仔细辨别其周期性，选择代表性体积单元，并对体积单元 内的关键尺寸数据进行测量，如图1所示；

2、将材料打磨至纳米压痕仪所要求的形状后，进行抛光处理，然后在纳米压痕仪上分别在垂直于纤维束方向对纤维和对基体进行压痕试验，得到载荷-深度曲线示意图，根据纳米压痕的相关技术文献确定纤维横向模量E_Tf和基体的模量E_m，典型纳米压痕仪所记录的载荷-深度曲线示意图如图2所示；

3、根据生产厂家提供的材料数据，得到T300纤维束(日本东丽公司生产)纵向模量E_Lf、拉伸强度压缩强度剪切强度 $F_{\mathrm{TZ}}^s.F_{\mathrm{ZL}}^s;$

4、根据(1)中所确定的代表性体积单元的尺寸和空间分布建立几何模型，需考虑纤维束的具体方位，建立相应的局部坐标系，以便赋予纤维束各向异性的性能，纤维束和基体之间的界面由于情况复杂，考虑成0厚度的内聚力单元(cohesive element)，以表征界面开裂造成的破坏，图3为界面单元分布图，根据(2)和(3)中所确定的材料性能参数赋予给材料，其余未直接得到的参数，如纤维束和基体泊松比v、基体拉伸、压缩强度等参数根据相关文献和经验进行设定，在X和Y两个方向上施加相同的位移，位移的数值由试验的平均应变乘以代表性体积单元的长度得到，最后完成整个建模操作，如图4所示；

5、通过Python编写关于表面节点的周期性边界条件程序，以满足使用代表性体积单元对宏观力学性能进行模拟的需要，使用Fortran语言编写Abaqus用户子程序USDFLD，考虑纤维和基体损伤，施加三维Hashin和最大应力准则，输出节点的应力、位移、支反力等数据；

6、将编织复合材料加工成双轴压缩试验所需的形状和大小后，在双轴试验机上进行1∶1载荷比的双向压缩试验，记录载荷-位移等信息，如图5所示，根据加载面的横截面积和长度，将支反力除以横截面积得应力，位移除以长度得应变，可将载荷-位移曲线转化为应力-应变曲线，同时试验后观察材料的破坏形貌，确定其破坏形式；

7、由于材料在制备过程中，由于工艺的影响，参数会在一定范围内发生变化，所以根据已有文献的参数基础上，适当合理地调整参数，使真实数据与模拟数据达到吻合，吻合条件为(6)中得到的模拟数据与实验数据差异小于5％，同时特别需要保证状态函数(SDV)所表示的破坏形式与真实破坏形貌相同，图6为经过参数适当调整后的应力云图，由图可知，红色区域为主承力区，即纤维束主要承担载荷，图7为某增量步过程Abaqus软件模拟的损伤云图，图中可见，损伤分布不均匀，由于损伤，材料性能将发生退化，损伤区域由于后续加载将成为裂纹产生的区域，裂纹不断产生，将最终导致材料发生整体破坏；

8、参数合理调整后，对Abaqus得到的数据进行后处理，获得在x和y两个方向上各个增量步内的位移和支反力数据，按照步骤6的方法，将支反力-位移数据转化成应力-应变数据，并与试验真实数据进行对比，结果在图8中进行了详细描述；

9、最后对以上8步所得到的数据和图片进行整理，所模拟的试验数据可表示为材料的真实性能数据，同时得到材料内部损伤破坏过程。

Claims (4)

1.一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值；

二、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量E_Tf和基体模量E_m；

三、(1)根据步骤一所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立；(2)将步骤二所确定的纤维束横向模量E_Tf、基体模量E_m，以及纤维生产厂家所提供的纤维束性能参数赋予模型，而其余未直接得到的参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予；(3)编写Python软件操作Abaqus生成的inp文件，编写方程，施加周期性边界条件，将纤维/基体的界面考虑成0厚度的内聚力单元，编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD程序将两种不同材料及所对应的破坏准则改造成统一的形式；(4)模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减后继续进行迭代计算；(5)使用Abaqus自带的状态函数SDV表征材料破坏机理；(6)最后完成对各种复杂载荷情况下的双轴试验的模拟，得到模拟的应力-应变数据；

四、在双轴试验机上对编织复合材料进行双轴试验，进行不同载荷比的拉-拉、压-压、拉-压、拉-剪、压-剪试验，确定试验数据及观察破坏宏观形貌；

五、将模拟的结果同相应的双轴试验真实数据进行对比，调整步骤三中根据文献和经验确定的参数，使有限元模拟的结果逐渐接近真实数据；

六、当模拟的数据与真实数据接近，差异小于5％时，且保证状态函数SDV所表示的破坏形式与真实破坏相同时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。

2.根据权利要求1所述的使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述具体改造方式为：采用参数化分别对两种材料的参数赋不同的值，当纤维准则中出现基体所没有的准则时，将纤维的准则整体乘以一个参数β，令纤维的β值等于1，基体的β值等于0。

3.根据权利要求1所述的使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述基体为脆性材料时，纤维束使用三维Hashin失效准则、基体采用最大应力失效准则的损伤判定程序。

4.根据权利要求1所述的使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述基体为塑性材料时，纤维束使用Tsai-Wu失效准则、基体采用Mises准则的损伤判定程序。