CN106874547A - 一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压储氢气瓶制造技术，旨在提供一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法。包括下述过程：建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型；基于微观力学对复合材料建立多尺度模型；利用FORTRAN语言编写的ABAQUS‑UMAT即ABAQUS用户静态材料子程序模块，基于多尺度模型对复合材料气瓶进行渐进失效分析，求取爆破压力；本发明从微观角度对纤维和基体组分的损伤进行判别以及对损伤变量进行计算，相比于传统的唯象宏观失效准则，该方法能更准确的确定复合材料的失效模式，需要确定的材料参数则更少，因此能高效准确的对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，获取爆破压力。

Description

一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法

技术领域

本发明是关于高压储氢气瓶制造技术领域，特别涉及一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法。

背景技术

当前，纤维全缠绕复合材料气瓶正广泛应用于航空航天、压力容器、新能源汽车等高新技术领域。复合材料气瓶爆破压力的确定是气瓶最为重要的方面，直接与复合材料气瓶的优化设计密切相关，但是现有复合材料气瓶的爆破压力主要是通过实验方式确定，这种方法代价昂贵且效率低下。

随着有限元技术的发展，采用有限元方法预测复合材料气瓶爆破压力逐渐兴起，但是复合材料气瓶的有着复杂的失效模式，比如内胆塑性变形、纤维断裂、基体开裂以及纤维/基体界面分离，因此需要可靠的失效理论和损伤演化方法预测纤维全缠绕复合材料气瓶的爆破压力。

复合材料气瓶的复合材料缠绕层具有明显的各向异性，目前预测纤维全缠绕复合材料气瓶的爆破压力主要是基于Tsai-Wu、Hashin、Chang-Chang等唯象宏观的失效准则和相应的损伤演化方式，这些失效准则需要经验确定气瓶的失效模式和相应的材料参数，因此难以准确可靠的预测复合材料气瓶的爆破压力。相反，从组分角度出发的微观力学失效理论可以准确的判别失效模式，需要确定的材料参数更少，因此提出一种基于宏-微观多尺度模型预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法十分重要。

复合材料及复合材料气瓶的计算分析一般可采用通用的有限元软件ABAQUS进行，但是通过ABAQUS软件自带的模块仅可以基于二维Hashin唯象宏观失效准则对复合材料气瓶渐进失效分析，但无法直接采用宏-微观多尺度模型预测纤维全缠绕复合材料气瓶的爆破压力。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，利用ABAQUS用户子程序界面提供一种基于宏-微观多尺度模型预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法。该方法从纤维和基体组分角度判别纤维、基体的损伤以及更新应力应变，对气瓶进行渐进失效的分析，求取爆破压力。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：提供一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法，包括下述过程：

一、建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型；

二、基于微观力学对复合材料建立多尺度模型；

三、利用(使用FORTRAN语言编写)ABAQUS-UMAT即ABAQUS用户静态材料子程序模块，基于多尺度模型对复合材料气瓶进行渐进失效分析，求取爆破压力；

所述过程一中，建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型：基于ABAQUS建立复合材料气瓶部件，分别对内胆和复合材料纤维层设置材料属性和划分网格，再用ABAQUS-ASSEMBLY模块对其组装之后设置分析步、变量输出、加载方式以及边界条件；

所述过程二具体包括下述步骤：

步骤(1)：建立微观应力和宏观应力的对应关系以及求取应力放大系数分量：

(a)微观应力和宏观应力的对应关系

其中，M_σ为应力放大系数，M_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)为应力放大系数的分量，σ为微观应力，为宏观应力。

(b)获取应力放大系数分量；

为了获得应力放大系数，本发明建立正六面体的复合材料微观胞元，其尺寸为针对三个正方向(1,2,3)和三个剪切方向(4,5,6)六种加载情况，分别对胞元施加单位应力载荷，得到微观胞元的应力分布。其中微观胞元每点的应力分布即为该点的应力放大系数。为了简化，分别从微观胞元的纤维和基体上选取若干点，计算出纤维和基体的应力放大系数并且存储在参数文件中。

步骤(2)：建立宏观应力和应变的本构关系。

其中，和为宏观应力和宏观应变。C_d为含损伤刚度矩阵，d_f和d_m为纤维损伤变量和基体损伤变量。为弹性刚度矩阵分量，由材料弹性模量和泊松比等材料参数计算得到。

步骤(3)：建立基于微观力学的纤维和基体失效判据：

(c)针对纤维组分，损伤初始判据为：

-C_f＜σ_f＜T_f；

其中，T_f和C_f为纤维拉伸强度和纤维压缩强度，σ_f为纵向方向的纤维微观应力。

(d)针对基体组分，损伤初始判据为：

其中，T_m和C_m分别为基体拉伸和压缩强度，σ_i(i＝1,2,3,4,5,6)为六个微观应力分量，I₁和σ_vm分别为第一微观应力不变量和微观Mises应力。

步骤(4)：采用参数化折减刚度矩阵的方法，对满足失效准则的单元应力进行应力更新。

当纤维达到初始失效判据时，将d_f设为1，当基体达到初始失效判据时，将d_m设为1。

所述过程三具体包括下述步骤：

步骤(5)：通过ABAQUS用户子程序UMAT实现上述过程，ABAQUS-UMAT是由应变驱动，把纤维损伤和基体损伤变量定为UMAT的状态变量。随着载荷增加，首先读取材料信息、应力放大系数和状态变量值SDV，根据步骤(2)计算宏观应力，再由步骤(1)计算微观应力，将计算的微观应力代入步骤(3)判别纤维和基体是否进入损伤，如果没有进入损伤，则直接进行应力应变的更新；如果进入损伤，则根据步骤(4)对单元刚度矩阵进行折减，使用折减的单元刚度矩阵进行应力应变的更新，同时将损伤数值存储为状态变量SDV；

步骤(6)：将过程一建立的模型主文件和步骤(5)建立的ABAQUS-UMAT用户子程序联合，使用ABAQUS/Standard模块对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，得到爆破压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用ABAQUS用户子程序界面来数值实现纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的预测方法，该方法从微观角度对纤维和基体组分的损伤进行判别以及对损伤变量进行计算，相比于传统的唯象宏观失效准则，该方法能更准确的确定复合材料的失效模式，需要确定的材料参数则更少，因此能高效准确的对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，获取爆破压力。

附图说明

图1为本发明实施例纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型图。

图2为实施例中建立的微观胞元及用于应力放大系数计算的若干点分布图。

图3为本发明对所提出的基于宏-微观多尺度模型的UMAT数值实现流程图。

图4为实施例中纤维全缠绕复合材料气瓶的内压-位移示意图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明是计算机技术在高压储氢气瓶领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法，其特征在于，包括下述过程：

一、建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型；

二、基于微观力学对复合材料建立多尺度模型；

三、利用FORTRAN语言编写的ABAQUS-UMAT即用户静态材料子程序模块，基于多尺度模型对复合材料气瓶进行渐进失效分析，求取爆破压力；

所述过程一具体包括下述步骤：基于ABAQUS建立复合材料气瓶部件，分别对内胆和复合材料纤维层设置材料属性和划分网格，再用ABAQUS-ASSEMBLY模块对其组装之后设置分析步、变量输出、加载方式以及边界条件；

所述过程二具体包括下述步骤：

步骤(1)：建立微观应力和宏观应力的对应关系以及求取应力放大系数分量：

(a)微观应力和宏观应力的对应关系

其中，M_σ为应力放大系数，M_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)为应力放大系数的分量，σ为微观应力，为宏观应力；

(b)获取应力放大系数分量；

为获得应力放大系数，建立正六面体的复合材料微观胞元，其尺寸为针对三个正方向(1,2,3)和三个剪切方向(4,5,6)六种加载情况，分别对胞元施加单位应力载荷，得到微观胞元的应力分布；其中微观胞元每点的应力分布即为该点的应力放大系数；为了简化，分别从微观胞元的纤维和基体上选取若干点，计算出纤维和基体的应力放大系数并且存储在参数文件中；

步骤(2)：建立宏观应力和应变的本构关系：

其中，和为宏观应力和宏观应变；C_d为含损伤刚度矩阵，d_f和d_m为纤维损伤变量和基体损伤变量；为弹性刚度矩阵分量，由材料弹性模量和泊松比等材料参数计算得到；

步骤(3)：建立基于微观力学的纤维和基体失效判据：

(c)针对纤维组分，损伤初始判据为：

-C_f＜σ_f＜T_f；

其中，T_f和C_f为纤维拉伸强度和纤维压缩强度，σ_f为纵向方向的纤维微观应力；

(d)针对基体组分，损伤初始判据为：

其中，T_m和C_m分别为基体拉伸和压缩强度，σ_i(i＝1,2,3,4,5,6)为六个微观应力分量，I₁和σ_vm分别为第一微观应力不变量和微观Mises应力；

步骤(4)：采用参数化折减刚度矩阵的方法，对满足失效准则的单元应力进行应力更新：

当纤维达到初始失效判据时，将d_f设为1，当基体达到初始失效判据时，将d_m设为1；

所述过程三具体包括下述步骤：

步骤(5)：通过ABAQUS用户子程序UMAT实现上述过程，ABAQUS-UMAT是由应变驱动，把纤维损伤和基体损伤变量定为UMAT的状态变量；随着载荷增加，首先读取材料信息、应力放大系数和状态变量值SDV，根据步骤(2)计算宏观应力，再由步骤(1)计算微观应力，将计算的微观应力代入步骤(3)判别纤维和基体是否进入损伤，如果没有进入损伤，则直接进行应力应变的更新；如果进入损伤，则根据步骤(4)对单元刚度矩阵进行折减，使用折减的单元刚度矩阵进行应力应变的更新，同时将损伤数值存储为状态变量SDV；

步骤(6)：将过程一建立的模型主文件和步骤(5)建立的ABAQUS-UMAT用户子程序联合，使用ABAQUS/Standard模块对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，得到爆破压力。

以下用基于上述过程应用的具体实施例子来说明本发明的实现效果：

在ABAQUS/CAE中建立纤维全缠绕复合材料气瓶的有限元模型，如图1所示。其中复合材料层的铺层方式为：[90°/±14°/90°/±14°/90°/±14°/90°]，环向层的复合材料厚度为0.32mm，螺旋层的复合材料厚度为0.18mm，总共分为10个单层，均用减缩积分三维实体单元C3D8R来仿真，为了充分利用对称性，复合材料气瓶建立四分之一模型并且施加合适的边界条件。

利用ABAQUS/Standard计算复合材料气瓶的渐进失效，如图2采用微观胞元计算各点的应力放大系数(纤维用F表示，基体用M表示)并存储到参数文件当中，如图3利用用户子程序UMAT首先读取材料信息、应力放大系数和状态变量值SDV计算宏观应力和微观应力，再判别纤维和基体损伤状态和计算损伤变量，进行应力应变更新。将模型主文件和ABAQUS-UMAT用户子程序联合，使用ABAQUS/Standard模块对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，得到爆破压力。

图4分别为纤维全缠绕复合材料气瓶的内压-位移示意图，数值计算的爆破压力为71MPa,而实验爆破压力为69MPa，可见与试验值比较准确的吻合。所以本发明提出的宏-微观多尺度模型可以较为准确的预测纤维全缠绕复合材料气瓶的爆破压力。

本发明在ABAQUS软件的基础上进行用户子程序的开发，提出的宏-微观多尺度模型相比于传统的唯象宏观失效准则，该方法能更准确的确定复合材料的失效模式，需要确定的材料参数更少，能高效且较为准确预测复合材料气瓶的爆破压力，为提升轻量化强度设计水平提供了技术支撑。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种预测铝内胆纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法，其特征在于，包括下述过程：

一、建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型；

二、基于微观力学对复合材料建立多尺度模型；

三、利用FORTRAN语言编写的ABAQUS-UMAT即用户静态材料子程序模块，基于多尺度模型对复合材料气瓶进行渐进失效分析，求取爆破压力；

所述过程一中，建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型：基于ABAQUS建立复合材料气瓶部件，分别对内胆和复合材料纤维层设置材料属性和划分网格，再用ABAQUS-ASSEMBLY模块对其组装之后设置分析步、变量输出、加载方式以及边界条件；

所述过程二具体包括下述步骤：

步骤(1)：建立微观应力和宏观应力的对应关系以及求取应力放大系数分量：

(a)微观应力和宏观应力的对应关系

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=M_{\mathrm{\σ}}\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}\\ M_{\mathrm{\σ}}=\left[\begin{array}{cccccc}{M}_{11}& M_{12}& M_{13}& M_{14}& 0& 0\\ M_{21}& M_{22}& M_{23}& M_{24}& 0& 0\\ M_{31}& M_{32}& M_{33}& M_{34}& 0& 0\\ M_{41}& M_{42}& M_{43}& M_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& M_{55}& M_{56}\\ 0& 0& 0& 0& M_{65}& M_{66}\end{array}\right]\end{array}\right.;$

其中，M_σ为应力放大系数，M_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)为应力放大系数的分量，σ为微观应力，为宏观应力；

(b)获取应力放大系数分量；

为了获得应力放大系数，本发明建立正六面体的复合材料微观胞元，其尺寸为针对三个正方向(1,2,3)和三个剪切方向(4,5,6)六种加载情况，分别对胞元施加单位应力载荷，得到微观胞元的应力分布；其中微观胞元每点的应力分布即为该点的应力放大系数；为了简化，分别从微观胞元的纤维和基体上选取若干点，计算出纤维和基体的应力放大系数并且存储在参数文件中；

步骤(2)：建立宏观应力和应变的本构关系；

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=C_d:\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\\ C_d=\left[\begin{array}{cccccc}(1-d_f)C_{11}^0& (1-d_f)(1-d_m)C_{12}^0& (1-d_f)C_{13}^0& 0& 0& 0\\ (1-d_f)(1-d_m)C_{12}^0& (1-d_m)C_{22}^0& (1-d_m)C_{23}^0& 0& 0& 0\\ (1-d_f)C_{13}^0& (1-d_m)C_{23}^0& C_{33}^0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& (1-d_s)C_{44}^0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& (1-d_s)C_{55}^0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& (1-d_s)C_{66}^0\end{array}\right]\\ d_s=1-\left(1-d_f\right)\left(1-d_m\right)\end{array}\right.;$

其中，和为宏观应力和宏观应变；C_d为含损伤刚度矩阵，d_f和d_m为纤维损伤变量和基体损伤变量；为弹性刚度矩阵分量，由材料弹性模量和泊松比等材料参数计算得到；

步骤(3)：建立基于微观力学的纤维和基体失效判据：

(c)针对纤维组分，损伤初始判据为：

-C_f＜σ_f＜T_f；

其中，T_f和C_f为纤维拉伸强度和纤维压缩强度，σ_f为纵向方向的纤维微观应力；

(d)针对基体组分，损伤初始判据为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\σ}}_{vm}^2}{T_m{C}_m}+(\frac{1}{T_m}-\frac{1}{C_m})I_1=1\\ I_1={\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3\\ I_2={\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_2{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_3{\mathrm{\σ}}_1-({\mathrm{\σ}}_4^2+{\mathrm{\σ}}_5^2+{\mathrm{\σ}}_6^2)\\ {\mathrm{\σ}}_{vm}=\sqrt{I_1-3I_2}\end{array}\right.;$

其中，T_m和C_m分别为基体拉伸和压缩强度，σ_i(i＝1,2,3,4,5,6)为六个微观应力分量，I₁和σ_vm分别为第一微观应力不变量和微观Mises应力；

步骤(4)：采用参数化折减刚度矩阵的方法，对满足失效准则的单元应力进行应力更新；

当纤维达到初始失效判据时，将d_f设为1，当基体达到初始失效判据时，将d_m设为1；

所述过程三具体包括下述步骤：

步骤(5)：通过ABAQUS用户子程序UMAT实现上述过程，ABAQUS-UMAT是由应变驱动，把纤维损伤和基体损伤变量定为UMAT的状态变量；随着载荷增加，首先读取材料信息、应力放大系数和状态变量值SDV，根据步骤(2)计算宏观应力，再由步骤(1)计算微观应力，将计算的微观应力代入步骤(3)判别纤维和基体是否进入损伤，如果没有进入损伤，则直接进行应力应变的更新；如果进入损伤，则根据步骤(4)对单元刚度矩阵进行折减，使用折减的单元刚度矩阵进行应力应变的更新，同时将损伤数值存储为状态变量SDV；

步骤(6)：将过程一建立的模型主文件和步骤(5)建立的ABAQUS-UMAT用户子程序联合，使用ABAQUS/Standard模块对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，得到爆破压力。