CN105468826B - 复合材料的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料的设计方法，包括以下步骤：a、确定树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式；b、确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：c、采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数；d、基于步骤c获得的单层复合材料的工程弹性常数从宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数；e、基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数获得复合材料的承载性能；和f、判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数。该方法充分考虑材料组分、工艺因素变化对复合材料承载性能影响的影响，并且设计周期缩短，成本降低。

Description

复合材料的设计方法
技术领域
本发明涉及复合材料结构设计领域，特别涉及一种复合材料结构的优化设计方法。
背景技术
复合材料是轻量化工业产品的首选材料，其优良的轻质高强、抗腐蚀、耐疲劳特性与其内部细观结构密切相关。在复合材料产品开发和应用的诸多领域中，复合材料结构设计占着极为重要的地位。特别是在航空航天、交通运输、石油化工和环保防腐等工业中，具有举足轻重的作用。复合材料独特的材料-结构-功能一体化特点，尤其是工艺的敏感性，决定其结构设计要求更加全面的结构设计技术和设计理论。
近年来数值分析技术和复合材料分析理论的发展，使得复合材料结构的设计和分析效率显著提高，极大推动了复合材料结构的应用范围。由此带来的复合材料产品的低成本和稳定性对其结构的材料选择、工艺方案和结构尺寸等性能需求提出了新的课题。为了适应上述需求，在对传统的结构设计方法不断改进的同时，一些新式高效的结构设计方式不断涌现。在面临如何使产品结构承载能力更加优良而生产成本更低的问题时，除结构的几何尺寸、原材料性能的挑战外，复合材料结构内部的细观结构更是受到人们的重视。复合材料材料的变形与破坏行为是由宏、细观层次下多种破坏机制相耦合而发生和发展的，宏观偶然发生的灾难性断裂行为往往是受微细观尺度内的力学过程所制约的。
结构设计是将材料通过设计合理的几何空间布局而实现其结构上的承载等功能，并满足一定周期的安全服役要求。由于材料性能不同，所采用的结构形式和尺寸，以及载荷传递路径的具体设计有很大的差别。
传统的复合材料结构设计主要包括经验尺寸设计和实验试制等，但都存在效率较低并且不能充分发挥复合材料轻质高强等优点等问题。经验尺寸设计存在设计人员经验积累和工艺稳定性限制等严重缺陷；实验试制容易受生产经验影响延长产品结构设计周期，严重增加产品成本。
与目前大多数传统复合材料结构设计方法相比，利用数值分析技术进行复合材料结构设计具有以下优势：1、能够从材料级别对复合材料的组合方式进行开发设计，可以确定出性价比最优的原材料；2、能够从工艺上确定复合材料的性能确定可满足结构性能要求的工艺方案；3、从细观上优化、确定复合材料结构的机械性能，降低材料性能测试要求；4、能缩短产品开发周期50％以上，降低产品成本20％以上；5、提高复合材料结构的材料利用率80％以上；6、同时提供多个结构设计方案，增加成本降低空间。
图1所示为常规复合材料结构设计流程示意图，其中不同工艺方法制备的复合材料性能数据均需要通过大量测试实验获得，依据测试数据确定出其各项性能如模量的平均值和强度的特征值。
在实验测试中，获得的测试数据仅为典型工艺制备具体铺层或单层复合材料的模量和强度的性能数据，需要多组试样以确定其中纤维含量变化对其性能的影响。
但是，在现有的复合材料结构设计中，通常采用的方法是:1、不考虑工艺因素对复合材料结构局部纤维含量变化的影响；2、在结构分析中，依据实际工艺铺层参数对各个区域结构的单元进行相应的铺层定义；3、制造实体模型进行精确计算和试验。但是这些方法存在以下缺陷：对于数值分析来说，未考虑工艺因素变化对复合材料性能的影响，在结构分析上需要大量的准备工作以保证分析模型与实际相符，且大大受限于结构分析效率和模型精度，无法快速得到准确的分析结果。对于实验研究来说，虽然可以得到合理的设计结果，但前提是需要制造出实体模型，耗时耗费均较高，并且灵活性较差。
发明内容
为了克服上述缺陷，本申请的发明人进行了锐意研究。本发明提供了一种复合材料的设计方法，尤其是提高一种复合材料结构的快速优化设计方法。该方法充分考虑材料组分、工艺因素变化对复合材料承载性能影响的影响，充分发挥复合材料的材料潜力，并且设计周期缩短，成本降低。
本发明提供一种复合材料的设计方法，包括以下步骤：
a、确定拟选用的树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式，所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；
b、基于复合材料的纤维含量特征值，确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：
c、采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数；单层复合材料的工程弹性常数包括模量和强度；
d、基于步骤c获得的单层复合材料的工程弹性常数，根据复合材料的结构参数从宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数；所述层合结构的工程弹性常数包括模量和强度；所述的结构参数包括铺层角度；
e、基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数，获得复合材料的承载性能；
f、判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤f包括以下步骤：将步骤e获得的复合材料的承载性能与设计要求的承载性能进行匹配；如果匹配，则确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数；否则返回步骤a。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤a包括以下具体步骤：
A1、获取拟选用的树脂基体的模量，和获取拟选用的增强纤维的模量和强度；
A2、估算不同的树脂基体和增强纤维复合后形成的复合材料的模量和强度，确定可选用的复合方式。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤b包括以下具体步骤：
B1、依据实验或资料获取典型工艺制备复合材料的纤维含量特征值；
B2、根据下列公式确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：
E1＝EmVm+EfVf，
1/E2＝Vm/Em+Vf/Ef，
式中，E1表示沿纤维长度方向的弹性模量、E2表示沿垂直纤维方向的弹性模量、Em表示树脂基体的弹性模量、Vm表示树脂基体的体积含量、Ef表示增强纤维的弹性模量、Vf表示增强纤维的体积含量。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤c包括以下具体步骤：
C1、根据复合材料的横截面纤维的分布特点，确定出用于描述细观结构内部纤维分布周期性单元，该单元至少包含一个纤维横截面；
C2、建立描述所述周期性单元的第一单胞三维模型，通过调整纤维直径参数反映所代表复合材料内的纤维含量，其中单胞厚度为纤维直径1/5～1/2；
C3、采用有限元工具对所述的第一单胞三维模型进行有限网格划分，并对第一单胞相对点、边、面的边界节点施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
C4、将树脂基体和增强纤维的机械性能分别输入有限元工具，并赋予相应的单元；所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；
C5、分别对第一单胞施加不同方向的载荷工况，分析其结构响应；
C6、依据下列公式获得第一单胞在不同加载工况下的整体刚度响应；
式中，表示单胞的应力分量σij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，vk为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σij；
C7、依据第一单胞的整体刚度响应获得第一单胞代表单层复合材料的工程弹性常数，所述的单层复合材料的工程弹性常数包括E1、E2、V12、G12、S、Xt、Xc、Yt、和Yc；其中，12表示材料坐标系，1表示纤维长度方向，2表示垂直纤维方向；E1、E2分别为材料坐标系下1方向和2方向的弹性模量，V12为材料坐标系12面内泊松比，G12为材料坐标系12面内剪切模量，S表示材料坐标系12面内的剪切强度，Xt、Xc分别表示材料坐标系1方向的拉伸和压缩强度，Yt、Yc分别表示材料坐标系2方向的拉伸和压缩强度。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤d包括以下具体步骤：
D1、建立宏观上足够小、细观上足够大的第二单胞三维模型，用于描述该第二单胞代表的复合材料的层合结构；
D2、采用有限元工具对第二单胞三维模型进行单元离散，并依据结构参数对相应的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；所述的结构参数包括铺层角度；
D3、对第二单胞相对点、边、面的边界节点分别施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
D4、将步骤C7获得的复合材料工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；
D5、分别对第二单胞施加不同的载荷工况，分析其结构响应；
D6、依据下列公式获得第二单胞在不同加载工况下的整体刚度响应：
式中，表示单胞的应力分量σij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，vk为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σij；
D7、依据第二单胞的整体刚度响应获得第二单胞代表的复合材料层合结构的工程弹性常数，所述的层合结构的工程弹性常数包括Ex、Ey、Vxy和Gxy；其中，xy表示结构坐标系，Ex、Ey分别为结构坐标系下x方向和y方向的弹性模量，Vxy为结构坐标系xy面内泊松比，Gxy为结构坐标系xy面内剪切模量。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤e包括以下具体步骤：
E1、建立复合材料的层合结构的三维CAD模型；
E2、采用有限元工具对所述三维CAD模型进行单元离散；并依据工艺因素对相应位置的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；
E3、将述步骤D7获得的复合材料结构工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；
E4、依据复合材料的受载工况，对所述层合结构施加相应的边界条件，分析其结构响应；
E5、依据复合材料的强度值和结构安全要求，分析所述层合结构的机械响应，判断并确定所述层合结构的不合理区域，并获得获得复合材料的承载性能。
根据本发明所述的设计方法，优选地，步骤C2还包括以下具体步骤：
校核第一三维单胞模型的连接界面部位的强度，以有限元分析其应力分布，获得第一三维单胞模型的合理性最优解。
根据本发明所述的设计方法，优选地，步骤的D1还包括以下具体步骤：
校核第二单胞三维模型的连接界面部位的强度，以有限元分析其应力分布，获得第二单胞三维模型的合理性最优解。
根据本发明所述的设计方法，优选地，所述有限元工具为ANSYS软件。
本发明的设计方法通过复合材料宏观/细观相结合的方法针对复合材料结构进行建模仿真，找到最优、最符合用户需求的复合材料结构设计方案。根据本发明优选的技术方案，本发明的设计方法利用原材料性能数据即可采用数值方法估算出复合后复合材料的性能数据；进一步通过细观模型获得制备工艺对复合材料宏观性能的影响范围和特征值；针对不同工艺铺层方案的复合材料结构，通过宏观模型可获得考虑工艺因素的复合材料层合结构性能及其波动范围；基于获得的复合材料层合结构性能数据，可快速实现复合材料产品结构的承载能力分析，实现考虑其原材料选择、工艺修正、尺寸修改等变量的整体化复合材料结构优化方案。根据本发明更优选的技术方案，本发明的设计方法与理论研究相比，可以更多地面向生产实际和复合材料具体结构设计问题，由于采用数值方法和模拟实验方法，可以不受数学解析能力的限制，从而具有更大的适应性和求解能力；与实验研究相比，该方法无需制造出实体模型，分析过程经济、迅速，并且具有更大的自由度和灵活性，可以突破实验上物质条件的限制而获得更多更细致的结果。
附图说明
图1为传统复合材料结构的优化设计流程示意图；
图2为本发明的复合材料的设计流程示意图；
图3为从复合材料横截面上可能选用的第一单胞三维模型(细观)示意图；
图4为复合材料第二单胞三维模型(宏观)示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
图2为本发明的复合材料的设计流程示意图。图3为从复合材料横截面上可能选用的第一单胞三维模型(细观)示意图。图4为复合材料的第二单胞三维模型(宏观)示意图。本发明的设计方法包括主要包括原材料选择、细观模型分析、宏观模型分析、复合材料结构属性赋予、复合材料结构承载优化分析等过程，请参见附图2。
本发明的复合材料的设计方法包括步骤a：确定拟选用的树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式，所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度。复合材料是由树脂基体和增强纤维复合后共同承载的一类材料，其主要性能可依据原材料机械性能数据和复合方式进行估算，以确定可选用的原材料。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤a包括以下具体步骤：
A1、获取拟选用的树脂基体的模量，和获取增强纤维的模量和强度；和
A2、估算不同的树脂基体和增强纤维复合后形成的复合材料的模量和强度，确定可选用的复合方式。
在本发明的步骤A1中，拟选用的树脂基体的模量的实例为环氧树脂基体的模量，增强纤维的模量和强度的实例为碳纤维的模量和强度。此外，根据本发明优选的实施方式，同时获取树脂基体的模量和强度，例如环氧树脂的模量和强度。
在本发明的步骤A2中，估算不同树脂基体和增强纤维复合后的复合材料的模量和强度，从而确定可选用的复合方式。纤维方向(纵向)性能由纤维性能决定，纤维横向方向和剪切性能由树脂基体性能决定。
本发明的复合材料的设计方法包括步骤b：基于复合材料的纤维含量特征值，确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围。复合材料为典型的材料-结构-功能一体化材料，其材料制备过程亦是其结构成型过程，因此其机械性能对其工艺过程具有敏感性。工艺因素的影响主要体现在纤维含量的变化上，且不同工艺方案制备复合材料的纤维含量特征值及波动范围并不一致。通过复合材料混合率可获得复合材料的初步性能数据，以指导制备工艺的选择和改进。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤b包括具体步骤B1、依据实验或资料获取典型工艺制备复合材料的纤维含量特征值。如树脂压铸成型(RTM)工艺的纤维体积百分数为60％±3％。所述步骤b包括具体步骤B2、根据下列公式确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：
E1＝EmVm+EfVf，
1/E2＝Vm/Em+Vf/Ef，
式中，E1表示沿纤维长度方向的弹性模量、E2表示沿垂直纤维方向的弹性模量、Em表示树脂基体的弹性模量、Vm表示树脂基体的体积含量、Ef表示增强纤维的弹性模量、Vf表示增强纤维的体积含量。
本发明的复合材料的设计方法包括步骤c：采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数(包括模量和强度)，例如单层复合材料的模量和强度的特征值和变化范围。复合材料为典型的各向异性材料，每种复合材料至少需要5个参数以表征其机械性能，同时由于其细观复合的特点及工艺敏感性，需要大量测试实验以获得相应的参数。复合材料细观模型通过均一化数值方法有效克服了这一缺点，且通过参数化方法快速获得不同组合、纤维含量的复合材料性能数据。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤c包括以下具体步骤：
C1、根据复合材料的横截面纤维的分布特点，确定出用于描述细观结构内部纤维分布周期性单元，该单元至少包含一个纤维横截面；
C2、建立描述所述周期性单元的第一单胞三维模型(参见图3)，通过调整纤维直径参数反映所代表复合材料内的纤维含量，其中单胞厚度为纤维直径1/5～1/2；优选为1/5～1/3；更优选为1/5；
C3、采用有限元工具(如ANSYS)对所述的第一单胞三维模型进行有限网格划分，并对第一单胞相对点、边、面的边界节点施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
C4、将树脂基体和增强纤维的机械性能分别输入有限元工具，并赋予相应的单元；所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；
C5、依据力学性能测试方法，分别对第一单胞施加不同方向的载荷工况，分析其结构响应；
C6、依据下列公式获得第一单胞在不同加载工况下的整体刚度响应；
式中，表示单胞的应力分量σij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，vk为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σij；
C7、基于复合材料力学理论，依据第一单胞的整体刚度响应获得单胞代表复合材料的工程弹性常数，所述的单层复合材料的工程弹性常数包括E1、E2、V12、G12、S、Xt、Xc、Yt、和Yc；其中，12表示材料坐标系，1为纤维长度方向，2为垂直纤维方向；E1、E2分别为材料坐标系下1方向和2方向的弹性模量，V12为材料坐标系12面内泊松比，G12为材料坐标系12面内剪切模量，S表示材料坐标系12面内的剪切强度，Xt、Xc分别表示材料坐标系1方向的拉伸和压缩强度，Yt、Yc分别表示材料坐标系2方向的拉伸和压缩强度。
根据本发明所述的设计方法，优选地，步骤C2还包括以下具体步骤：校核第一三维单胞模型的连接界面部位的强度，以有限元分析其应力分布，获得第一三维单胞模型的合理性最优解。
本发明的复合材料的设计方法包括步骤d：基于步骤c获得的复合材料的工程弹性常数(包括模量和强度)，根据复合材料的结构参数从宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数(包括模量和强度)；所述的结构参数包括铺层角度。复合材料各向异性的特点赋予其广阔的设计空间，可通过设计铺层方案获得所需的复合材料宏观性能数据，但通常需要大量的测试实验以获得准确的宏观性能数据。基于所获得的复合材料性能数据，复合材料宏观模型通过均一化数值方法有效克服了这一缺点，且通过参数化方法快速获得不同材料组合、铺层方案的复合材料层合结构性能数据。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤d包括以下具体步骤：
D1、建立宏观上足够小、细观上足够大的第二单胞三维模型(参见图4)，用于描述该第二单胞代表的复合材料的层合结构；如铺层为[0/90/±45]s的层合板；
D2、采用有限元工具对第二单胞三维模型进行单元离散，并依据结构参数对相应的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；所述的结构参数包括铺层角度；
D3、对第二单胞相对点、边、面的边界节点分别施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
D4、将步骤C7获得的复合材料工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；
D5、依据力学性能测试方法，分别对第二单胞施加不同的载荷工况，分析其结构响应；
D6、依据下列公式获得第二单胞在不同加载工况下的整体刚度响应：
式中，表示单胞的应力分量σij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，vk为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σij；
D7、基于弹性力学理论，依据第二单胞的整体刚度响应获得第二单胞代表的复合材料层合结构的工程弹性常数，所述的层合结构的工程弹性常数包括Ex、Ey、Vxy和Gxy；其中，xy表示结构坐标系，Ex、Ey分别为结构坐标系下x方向和y方向的弹性模量，Vxy为结构坐标系xy面内泊松比，Gxy为结构坐标系xy面内剪切模量。
根据本发明所述的设计方法，优选地，步骤的D1还包括以下具体步骤：校核第二单胞三维模型的连接界面部位的强度，以有限元分析其应力分布，获得第二单胞三维模型的合理性最优解。
本发明的设计方法还包括步骤e：基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数(包括模量和强度)，获得复合材料的承载性能。采用数值分析方法分析复合材料结构的承载性能；在结构分析中复合材料需要大量的模型处理工作以将的铺层信息和材料信息赋予相应的结构区域，且该工作并不考虑局部工艺波动对其性能的影响，使的结构设计无法快速获得准确的分析结果。基于所获得的复合材料层合结构性能数据，设计分析将只需依据工艺因素等信息将层合结构性能赋予相应的结构区域即可实现结构的快速分析，确定结构的承载相应，指导结构优化。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤e包括以下具体步骤：
E1、建立复合材料的层合结构的三维CAD模型；
E2、采用有限元工具对所述三维CAD模型进行单元离散；并依据工艺因素对相应位置的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；
E3、将述步骤D7获得的复合材料结构工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；
E4、依据复合材料的受载工况，对所述层合结构施加相应的边界条件，分析其结构响应；
E5、依据复合材料的强度值和结构安全要求，分析所述层合结构的机械响应，判断并确定所述层合结构的不合理区域，并获得复合材料的承载性能。
本发明的设计方法还包括步骤f：判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数。通过数值方法可实现材料组合、工艺方案和结构尺寸等参数的优化组合，依据分析结果获得最符合用户需求的结构设计方案，实现多个设计方案的综合比较。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤f包括以下步骤：将步骤e获得的复合材料的承载性能与设计要求的承载性能进行匹配；如果匹配，则确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数；否则返回步骤a。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各项修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。

Claims (8)

1.一种复合材料的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、确定拟选用的树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式，所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；
b、基于复合材料的纤维含量特征值，确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：
c、采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数；单层复合材料的工程弹性常数包括模量和强度；步骤c包括以下具体步骤：
C1、根据复合材料的横截面纤维的分布特点，确定出用于描述细观结构内部纤维分布周期性单元，该单元至少包含一个纤维横截面；
C2、建立描述所述周期性单元的第一单胞三维模型，通过调整纤维直径参数反映所代表复合材料内的纤维含量，其中单胞厚度为纤维直径1/5～1/2；
C3、采用有限元工具对所述的第一单胞三维模型进行有限网格划分，并对第一单胞相对点、边、面的边界节点施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
C4、将树脂基体和增强纤维的机械性能分别输入有限元工具，并赋予相应的单元；所述的机械性能包括树脂基体的模量、增强纤维的模量和增强纤维的强度；
C5、分别对第一单胞施加不同方向的载荷工况，分析其结构响应；
C6、依据下列公式获得第一单胞在不同加载工况下的整体刚度响应；
式中，表示单胞的应力分量σij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，vk为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σij；和
C7、依据第一单胞的整体刚度响应获得第一单胞代表单层复合材料的工程弹性常数，所述的单层复合材料的工程弹性常数包括E1、E2、V12、G12、S、Xt、Xc、Yt、和Yc；其中，12表示材料坐标系，1表示纤维长度方向，2表示垂直纤维方向；E1、E2分别为材料坐标系下1方向和2方向的弹性模量，V12为材料坐标系12面内泊松比，G12为材料坐标系12面内剪切模量，S表示材料坐标系12面内的剪切强度，Xt、Xc分别表示材料坐标系1方向的拉伸和压缩强度，Yt、Yc分别表示材料坐标系2方向的拉伸和压缩强度；
d、基于步骤c获得的单层复合材料的工程弹性常数，根据复合材料的结构参数从宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数；所述层合结构的工程弹性常数包括模量和强度；所述的结构参数包括铺层角度；步骤d包括以下具体步骤：
D1、建立宏观上足够小、细观上足够大的第二单胞三维模型，用于描述该第二单胞代表的复合材料的层合结构；
D2、采用有限元工具对第二单胞三维模型进行单元离散，并依据结构参数对相应的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；所述的结构参数包括铺层角度；
D3、对第二单胞相对点、边、面的边界节点分别施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
D4、将步骤C7获得的复合材料工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；
D5、分别对第二单胞施加不同的载荷工况，分析其结构响应；
D6、依据下列公式获得第二单胞在不同加载工况下的整体刚度响应：
式中，表示单胞的应力分量σij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，vk为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σij；和
D7、依据第二单胞的整体刚度响应获得第二单胞代表的复合材料层合结构的工程弹性常数，所述的层合结构的工程弹性常数包括Ex、Ey、Vxy和Gxy；其中，xy表示结构坐标系，Ex、Ey分别为结构坐标系下x方向和y方向的弹性模量，Vxy为结构坐标系xy面内泊松比，Gxy为结构坐标系xy面内剪切模量；
e、基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数，获得复合材料的承载性能；和
f、判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤f包括以下步骤：将步骤e获得的复合材料的承载性能与设计要求的承载性能进行匹配；如果匹配，则确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数；否则返回步骤a。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤a包括以下具体步骤：
A1、获取拟选用的树脂基体的模量，和获取拟选用的增强纤维的模量和强度；和
A2、估算不同的树脂基体和增强纤维复合后形成的复合材料的模量和强度，确定可选用的复合方式。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤b包括以下具体步骤：
B1、依据实验或资料获取典型工艺制备复合材料的纤维含量特征值；和
B2、根据下列公式确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：
E1＝EmVm+EfVf，
1/E2＝Vm/Em+Vf/Ef，
式中，E1表示沿纤维长度方向的弹性模量、E2表示沿垂直纤维方向的弹性模量、Em表示树脂基体的弹性模量、Vm表示树脂基体的体积含量、Ef表示增强纤维的弹性模量、Vf表示增强纤维的体积含量。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤e包括以下具体步骤：
E1、建立复合材料的层合结构的三维CAD模型；
E2、采用有限元工具对所述三维CAD模型进行单元离散；并依据工艺因素对相应位置的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；
E3、将所述步骤D7获得的复合材料层合结构的工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；
E4、依据复合材料的受载工况，对所述层合结构施加相应的边界条件，分析其结构响应；和
E5、依据复合材料的强度值和结构安全要求，分析所述层合结构的机械响应，判断并确定所述层合结构的不合理区域，并获得复合材料的承载性能。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤C2还包括以下具体步骤：
校核第一单胞三维模型的连接界面部位的强度，以有限元分析其应力分布，获得第一单胞三维模型的合理性最优解。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤的D1还包括以下具体步骤：
校核第二单胞三维模型的连接界面部位的强度，以有限元分析其应力分布，获得第二单胞三维模型的合理性最优解。
8.根据权利要求1～5任一项所述的设计方法，其特征在于，有限元工具均为ANSYS软件。
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