CN108197398B - 一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法 - Google Patents
一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108197398B CN108197398B CN201810025248.1A CN201810025248A CN108197398B CN 108197398 B CN108197398 B CN 108197398B CN 201810025248 A CN201810025248 A CN 201810025248A CN 108197398 B CN108197398 B CN 108197398B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- composite material
- finite element
- failure
- fiber bundle
- matrix
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 38
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 27
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 24
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 24
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 14
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 14
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical group C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 6
- 238000009941 weaving Methods 0.000 claims description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- 238000009954 braiding Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- -1 density Chemical compound 0.000 description 2
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009863 impact test Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
本发明提供了一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,步骤为:根据满足空间群P4对称性的细观结构设计三维编织材料的结构和尺寸,在有限元模拟软件Abaqus中建立一个最小代表性体积单元,通过平移对称的方式得到一个标准的部件;根据所需预测的三维编织复合材料的材料参数给部件赋予材料属性;设定网格类型、边界条件、载荷和接触条件;根据有限元模拟软件Abaqus中的计算结果和相应的失效准则,预测出材料的失效情况,得到这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。解决了基于空间群P4的编织复合材料力学性能难以测试的问题,为制定出这种复合材料编织的最优方案提供了可靠的理论基础。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域,特别涉及一种预测基于空间群P4对称性的三维编织复合材料失效的模拟和分析方法,包含预测这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。
背景技术
三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板间性能差、冲击韧性低和易分层的缺点,具有良好的拉伸性能,抗冲击性能和剪切性能等优点,广泛应用于航空、航天等高科技领域。基于空间群P4对称性的三维编织复合材料是根据晶体空间点阵和空间对称群构想出的新型编织复合材料,由于这种结构的材料还未批量化生产,所以对它性能的预测就显得十分重要。有限元模拟为这种材料的性能和结构失效预测提供了有效的途径,同时也为这种结构的设计改进提供了理论基础。
有限元分析是借助数学近似方法对真实物理系统进行模拟,可以利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为十分有效的工程分析手段。与实验手段相比,有限元模拟方法可深入探究三维编织复合材料在高应变率加载过程中的力学响应及失效机理。利用有限元模拟软件可以建立精准的部件空间结构和尺寸大小,对不同的部件赋予不同的材料性能参数,并且能够快速准确地施加复合材料在实际加载条件下的边界条件、接触和载荷。通过有限元软件分析求解来得到这种材料的力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,为基于空间群P4对称性的编织复合材料提供一种可靠有效的拉伸性能和抗冲击性能的预测手段,以用于预测这种材料的性能和结构失效情况。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,包括以下步骤:
步骤一:根据空间群P4对称性的细观结构设计三维编织材料的结构和尺寸,在有限元模拟软件Abaqus中建立一个最小代表性体积单元,通过平移对称的方式得到一个标准的部件;
步骤二:根据所需预测的三维编织复合材料的材料参数给部件赋予材料属性;
步骤三:设定网格类型、边界条件、载荷和接触条件;
步骤四:根据有限元模拟软件Abaqus中的计算结果和相应的失效准则,预测出材料的失效情况,得到这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。
步骤二中,根据不同材料给部件赋予不同材料属性,材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变。
步骤三中,通过C3D8R实体单元来对纤维束划分网格,采用C3D4实体单元对基体划分网格。
步骤三中,将纤维束和基体的接触方式定义为面面接触,设定基体为主面,纤维束为从面。
步骤四中,对于纤维束,采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式,对于基体,采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程。
有益效果:本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)与原有的三维编织复合材料的有限元模拟不同,本发明针对基于空间群P4对称性的三维编织复合材料进行有限元模拟分析,这是一种根据晶体学空间群P4结构进行设计的新型三维编织复合材料,这种结构的纤维体积分数较高,对提高三维编织复合材料的强度有帮助,但是市场上还没有生产这种材料,所以,在其大规模生产前,我们可以通过模拟手段优先分析预测这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能,并根据其结构失效的结果来调整确定最佳的编织方案。
(2)本发明通过有限元模拟来预测这种基于空间群P4对称性的三维编织复合材料的拉伸性能和抗冲击性能,避免了繁琐的生产、实验步骤,节约了时间和经济成本,并且结果的可信度也很高,符合现在工程应用中数字模拟化技术开始被广泛应用的发展前景。
附图说明
图1为空间群P4结构中单根纤维束的摆放方式;
图2为基于空间群P4对称性的编织复合材料单元的俯视图;
图3为基于空间群P4对称性的编织复合材料单元的侧视图;
图4为模拟拉伸试验的纤维编织几何模型;
图5为模拟拉伸试验的纤维与基体复合的几何模型;
图6为模拟冲击试验的纤维编织几何模型;
图7为模拟冲击试验的纤维与基体复合的几何模型。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合本发明实施例中的附图,以碳纤维和环氧树脂为例,对本发明的技术方案进行更详细的描述。
一、有限元软件分析模拟基于空间群P4对称性的编织复合材料的拉伸行为,具体步骤如下:
1.假设碳纤维和环氧树脂完全浸润,两者之间无界面滑移,根据弹塑性本构关系,建立一个率相关的塑性随动模型。
2.由于纤维、基体之间相互挤压,根据实际情况,假设碳纤维束截面为菱形形状,碳纤维束截面沿长度方向保持不变且编织过程中无损伤。图1中线Ⅰ表示单元中一根碳纤维的中心轴线,根据图1中空间群P4的结构尺寸确定单束碳纤维的编织角、最小代表性单元长度和截面尺寸,一个最小代表性单元由四根碳纤维组成。
3.在Abaqus中建立基于空间群P4对称性的编织复合材料的最小代表性单胞,图2是单元的俯视图,图3是单元的侧视图。将128个最小代表性单元和一个内部掏出相应形状的长方体装配起来,图4为三维编织复合材料试件模型。给纤维束赋予碳纤维的属性,给长方体基体赋予环氧树脂的属性,例如密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变等参数。
4.将碳纤维和环氧树脂的接触方式定义为面面接触,设定环氧树脂为主面,碳纤维束为从面。
5.采用计算精度最高的C3D8R实体单元来对纤维束划分网格,采用C3D4实体单元对基体划分网格。
6.通过局部坐标将Z方向定义为纤维方向,把长方体的底面固定,在长方体的上端施加一个方向向上的轴向拉伸位移载荷,根据具体情况设定几组不同的拉伸速率以及位移长度,加载一定时间,加载时间根据所需要的应变率来确定。如:固定X、Y方向,Z方向施加正负位移,位移值为10mm,加载时间10min,速率1mm/min。
7.由于两种材料的力学性能差异较大,对于碳纤维,采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式,L方向的纤维束拉伸损伤准则:
TZ方向上的纤维束拉伸和剪切损伤准则:
对于环氧树脂基体,采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程:
其中σm为基体材料的强度。
8.根据计算结果中的应力应变分布、位移情况来判断材料的失效情况。
二、有限元软件分析模拟基于空间群P4对称性的编织复合材料的抗冲击行为,具体步骤如下:
1.假设碳纤维和环氧树脂完全浸润,两者之间无界面滑移,根据弹塑性本构关系,建立一个率相关的塑性随动模型。
2.由于纤维、基体之间相互挤压,根据实际情况,假设碳纤维束截面为菱形形状,碳纤维束截面沿长度方向保持不变且编织过程中无损伤。图1中线Ⅰ表示单元中一根碳纤维的中心轴线,根据图1中空间群P4的结构尺寸确定单束碳纤维的编织角、单元长度和截面尺寸,一个单元由四根碳纤维组成。
3.在Abaqus中建立基于空间群P4对称性的编织复合材料的最小单元,图2是单元的俯视图,图3是单元的侧视图。将50个单胞和一个内部掏出相应形状的长方体装配起来,图7为一个两层的三维编织复合层板试件模型。给纤维束赋予碳纤维的属性,给长方体基体赋予环氧树脂的属性,例如密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变等参数。
4.将碳纤维和环氧树脂的接触方式定义为面面接触,设定环氧树脂为主面,碳纤维束为从面。
5.采用计算精度最高的C3D8R实体单元来对纤维束划分网格,采用C3D4实体单元对基体划分网格。
6.通过局部坐标将Y方向和Z方向定义为纤维方向,把长方体的YOZ面固定,在这个固定面的对立面施加一个X方向负方向上的集中力载荷载荷,根据具体情况设定几组不同的载荷大小,加载一定时间,加载时间根据所需要的应变率来确定。如:固定X、Z方向,X方向施加正负位移,位移值为10mm,加载时间10min,速率1mm/min。
7.由于两种材料的力学性能差异较大,对于碳纤维,采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式,L方向的纤维束拉伸损伤准则:
TZ方向上的纤维束拉伸和剪切损伤准则:
对于环氧树脂基体,采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程:
其中σm为基体材料的强度,τ12,τ23,τ31表示集体材料的剪切应力。
根据计算结果中的应力应变分布、位移情况来判断材料的失效情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:根据满足空间群P4对称性的细观结构设计三维编织材料的结构和尺寸,在有限元模拟软件Abaqus中建立一个最小代表性体积单元,通过平移对称的方式得到一个标准的部件;步骤一的具体步骤为:
设纤维束和基体完全浸润,两者之间无界面滑移,根据弹塑性本构关系,建立一个率相关的塑性随动模型;
由于纤维束、基体之间相互挤压,假设纤维束截面为菱形形状,纤维束截面沿长度方向保持不变且编织过程中无损伤;根据空间群P4的几何结构确定纤维束之间的编织角、最小代表性单元的长度和截面尺寸,一个最小代表性单元中包含四根纤维束;
在有限元模拟软件Abaqus中建立基于空间群P4对称性的编织复合材料的最小代表性单元,将128个最小代表性单元和一个内部掏出相应形状的长方体基体装配起来,即得到所述的部件;
步骤二:根据所需预测的三维编织复合材料的材料参数给部件赋予材料属性;
步骤三:设定网格类型、边界条件、载荷和接触条件;
步骤四:根据有限元模拟软件Abaqus中的计算结果和相应的失效准则,预测出材料的失效情况,得到这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。
2.根据权利要求1所述的预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,其特征在于:所述纤维束为碳纤维,基体为环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,其特征在于:步骤二中,根据不同材料给部件赋予不同材料属性,材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变。
4.根据权利要求1所述的预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,其特征在于:步骤三中,通过C3D8R实体单元来对纤维束划分网格,采用C3D4实体单元对基体划分网格。
5.根据权利要求1所述的预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,其特征在于:步骤三中,将纤维束和基体的接触方式定义为面面接触,设定基体为主面,纤维束为从面。
6.根据权利要求1所述的预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法,其特征在于:步骤四中,对于纤维束,采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式,对于基体,采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810025248.1A CN108197398B (zh) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | 一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810025248.1A CN108197398B (zh) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | 一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108197398A CN108197398A (zh) | 2018-06-22 |
CN108197398B true CN108197398B (zh) | 2020-05-19 |
Family
ID=62588788
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810025248.1A Active CN108197398B (zh) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | 一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108197398B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109766669B (zh) * | 2019-03-06 | 2022-09-27 | 四川大学 | 预测导电复合材料电阻及其响应的可视化数学模型方法 |
CN110069835B (zh) * | 2019-04-03 | 2022-10-11 | 西北工业大学 | 气膜孔多孔干涉的三维编织cmc的应力计算及失效判定方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103970969A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-06 | 哈尔滨工业大学 | 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 |
CN105063885A (zh) * | 2015-07-17 | 2015-11-18 | 河南科技大学 | 基于空间群p4对称性的三维编织材料 |
CN105354390A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-02-24 | 北京航空航天大学 | 一种预测平面斜交编织复合材料双向拉伸模量与强度的新方法 |
CN105550390A (zh) * | 2015-11-13 | 2016-05-04 | 南京航空航天大学 | 基于交叉熵等多重判据的纤维增韧复合材料跨尺度热分析等效方法 |
CN107443616A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-12-08 | 河南科技大学 | 圆管三维编织预成型体、编织复合圆管及两者的成型方法 |
-
2018
- 2018-01-11 CN CN201810025248.1A patent/CN108197398B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103970969A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-06 | 哈尔滨工业大学 | 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 |
CN105063885A (zh) * | 2015-07-17 | 2015-11-18 | 河南科技大学 | 基于空间群p4对称性的三维编织材料 |
CN105550390A (zh) * | 2015-11-13 | 2016-05-04 | 南京航空航天大学 | 基于交叉熵等多重判据的纤维增韧复合材料跨尺度热分析等效方法 |
CN105354390A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-02-24 | 北京航空航天大学 | 一种预测平面斜交编织复合材料双向拉伸模量与强度的新方法 |
CN107443616A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-12-08 | 河南科技大学 | 圆管三维编织预成型体、编织复合圆管及两者的成型方法 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
2 .5 维机织复合材料的强度特性;董伟锋, 朱建勋, 肖军;《材料科学与工程学报》;20100630;第28卷(第6期);全文 * |
Meso-structure and processing of three-dimensional braided material based on space group P4 symmetry;Ma W, Ma Z, Zhu J.;《Textile Research Journal》;20171231;全文 * |
三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析;张超,周晔欣,杨志贤,许晓静;《复合材料学报》;20160930;第33卷(第9期);第1989-1997页 * |
三维编织复合材料理论研究进展;马文锁, 赵允岭 , 冯伟;《材料科学与工程学报》;20061231;第24卷(第4期);全文 * |
三维编织复合材料紧固件剪切强度预报;刘发齐,关志东,边天涯;《材料导报A:综述篇》;20170430;第31卷(第4期);第121-128页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108197398A (zh) | 2018-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109241650B (zh) | 基于跨尺度仿真的碳纤维增强复合材料力学性能预测方法 | |
CN109920495B (zh) | 一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法 | |
CN108804735B (zh) | 低速冲击下复合材料层合板渐进失效的多尺度预测方法 | |
Sriramula et al. | Quantification of uncertainty modelling in stochastic analysis of FRP composites | |
Joglekar et al. | Modeling of 3D woven composites using the digital element approach for accurate prediction of kinking under compressive loads | |
JP2017211887A (ja) | 有限要素法解析方法、有限要素法解析装置、解析サービスシステムおよび有限要素法解析プログラムを記録した記録媒体 | |
CN111832209B (zh) | 复合材料多尺度模型的动态渐进失效分析方法 | |
Prasanth et al. | Advanced structural analysis on E-glass fiber reinforced with polymer for enhancing the mechanical properties by optimizing the orientation of fiber | |
CN106777769A (zh) | 预测低速冲击下复合材料多层厚板渐进失效的有限元方法 | |
CN113761763B (zh) | 微观和细观尺度结构rve多尺度宏观材料性质分析方法 | |
CN108197398B (zh) | 一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法 | |
CN111709174B (zh) | 一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法 | |
CN112163273B (zh) | 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法 | |
CN116738799A (zh) | 一种模拟纤维增强复合材料复杂断裂形貌的统一计算方法 | |
CN112100880A (zh) | 一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法 | |
CN115238555A (zh) | 一种基于局部均匀化的基于局部均匀化的三维编织复合材料薄壁结构多尺度分析方法 | |
CN116227034A (zh) | 一种三维编织复合材料宏-细观力学性能参数预测方法 | |
Zhang et al. | An integrated computational materials engineering method for woven carbon fiber composites preforming process | |
CN112926244A (zh) | 一种复合材料层合板开孔件极限载荷确定方法 | |
CN108168997A (zh) | 基于空间群p*对称性的三维编织复合材料性能检测方法 | |
CN116384076A (zh) | 一种纤维增强复合材料跨尺度等效弹性力学性能建模方法 | |
Yang et al. | Multiscale modelling for fatigue crack propagation of notched laminates using the UMAP clustering algorithm | |
CN116384015B (zh) | 一种复合材料层合板结构强度的分析方法 | |
CN114023400B (zh) | 一种快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法 | |
CN116644617B (zh) | 基于纤维计算晶粒的航空纤维复合材料细观力学分析方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |