CN109241650B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料预测技术领域，公开了一种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，预测方法为：采用细观有限元方法，建立细观层面碳纤维复合材料的单胞预测模型并对碳纤维增强复合材料力学性能的进行预测；基于刚度均匀法，分别对偏轴角及多角度层合顺序对材料性能进行预测并运用实验对各模型进行对比验证。本发明提出了复合材料力学性能预测的方法，且实验结果与理论模型对比取得了一致性。

Description

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
技术领域
本发明属于复合材料性能预测技术领域，尤其涉及一种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。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
碳纤维复合材料因其轻质、高强度、高模量、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性被广泛应用于航空、航天及各种先进结构中。复合材料的力学性能是在整个服役周期中关键的指标之一，例如材料的铺层结构设计，测量工具质量，优化工艺参数，使用寿命的评价。碳纤维复合材料层合板的宏观力学性能是由大量的碳纤维丝(增强相)和树脂基体(连续相)复合后整体显现的表观平均的综合特性。但由于纤维丝和基体间的力学性能相差甚大，使得复合材料在受载时细观的应力和应变分布非常复杂，从而直接影响复合材料的宏观力学性能。因此研究复合材料细观结构特征对力学性能的影响，乃至对宏观整体性能的预测都具有重要意义。
目前，针对复合材料的性能在纤维束尺度研究中，常规的方法主要是假设纤维丝均匀分布在基体中，采用单向纤维增强复合理论公式，或直接采用实验测量确定其力学性能。国内外的学者对单向增强复合材料的力学性能进行了多年的研究，从材料力学和弹性力学角度出发，提出了不同的计算公式，这些公式对于纵向弹性模量和纵向泊松比的预测与实验较为吻合，但对于横向弹性模量和剪切模量的预测与实验值有较大差异，虽然有相关学者对相应的横向模量和剪切模量提出了一些修正公式，然而有些参数仍需通过经验估算或实际实验确定，使其具有较大的局限性。
同时，有限元数值计算方法在对材料整体性能测试中倍受许多学者的关注。现有技术一利用有限元方法得出复合材料的细观结构与宏观模型间弹性模量的关系，分析了纤维截面形状对金属基复合材料弹性模量的影响。现有技术二采用有限元数值计算方法预测了纤维增强复合材料的横向弹性模量，与经典法进行了比较取得了良好效果。现有技术三采用Monte Carlo方法模拟了单向玻璃纤维复合材料中纤维直径的差异以及分布规律，运用有限方法对包含100根纤维的单胞模型进行分析，得到了材料的弹性模量，首次提出纤维排列的随机性对材料弹性常数有影响。现有技术四以单向复合材料为研究对象，对复合材料三维桥联模型公式进行必要的简化及理论推导，并用得出的理论模型公式进行了计算，利用MSc.Pastran建立了RVE(Representative Volume Element)模型进行了数值模拟，其实验与理论结果精度均在工程许可范围内。现有技术五基于宏细观分析方法，构建考虑纤维分布和体积含量的代表性体积单元模型，通过有限元方法获得纤维分布及体积含量对复合材料横向弹性常数的影响。
随着计算机快速的发展，有限元方法又用于更为复杂结构的复合材料性能的预测。现有技术六基于层合板理论提出了一种预测平纹织物复合材料弹性性能的分析模型，获得的预测平面内特性的理论与实验结果之间具有良好的相关性。现有技术七建立了三维机织C/SiC复合材料的单胞模型并运用均匀化法预测了其弹性性能，分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。现有技术八基于单胞模型对三维正交机织复合材料的拉伸性能进行了数值模拟，并与实验结果进行了比较，分析组分材料的行为对三维正交机织复合材料的力学材料性能的影响。现有技术九对三维五向编织复合材料的力学弹性特性进行了有限元建模分析，计算出了材料在典型载荷作用下，材料内部细观结构的应力分布，分析了纤维的体积含量和编织角度对其弹性参数的影响，弹性参数随着纤维体积含量的增大而增加，随着编织角的增大而减小。
综上，大量学者在复合材料层合板及更复杂编织型复合材料的性能的预测上都做出了卓越的贡献。然而，在性能预测研究着重点方面，大多数都主要集中复合材料弹性模量的预测方面的研究，却鲜有对剪切模量的提及；在有限元方法建模预测材料性能方面，每一学者在建模方法、数值计算上都具有较大创新，然而大多数学者的在建模、分网、计算工作量都较大，有的学者将复合材料实际结构进行简化，以致预测结果与实际实验相比不够精确，同时也有学者为保证精度，根据复合材料实际结构进行建模，在工程应用方面难以得到推广；在性能预测分析上，大多数学者的研究重点主要考虑纤维体积含量及纤维布置形式对其整体性能的影响，且都准确的预测出材料的各项力学性能，然而并没有分析复合材料的力学性能与结构参数变化之间的关系，得出最优化配置，其主要原因是每更新一次参数，都需经历重新建模，分网、再计算等复杂过程。
虽然在不考虑纤维间作用下情况下，可以通过复合材料层合理论进行准确的预测单层碳纤维复合材料的纵向弹性模量，但对于横向弹性模量及剪切模量等参数的预测依旧存有瓶颈，加之多向复合结构的相互叠加促使其计算过程也过于复杂，在整体宏观力学性能的预测方面显得更为困难。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)在性能预测侧重点方面，在不考虑纤维间作用下情况下，可以通过复合材料层合理论进行准确的预测单层碳纤维复合材料的纵向弹性模量，但对于横向弹性模量及剪切模量等参数的预测依旧存有瓶颈，加之多向复合结构的相互叠加促使其计算过程也过于复杂，在整体宏观力学性能的预测方面显得更为困难。
(2)在性能预测方面，大多数都主要集中复合材料弹性模量的预测方面的研究，却鲜有对剪切模量的提及；在有限元方法建模预测材料性能方面，每一学者在建模方法、数值计算上都具有较大创新，然而大多数学者的在建模、分网、计算工作量都较大，有的学者将复合材料实际结构进行简化，以致预测结果与实际实验相比不够精确，同时也有学者为保证精度，根据复合材料实际结构进行建模，在工程应用方面难以得到推广；
(3)在性能预测分析上，大多数学者的研究重点主要考虑纤维体积含量及纤维布置形式对其整体性能的影响，且都准确的预测出材料的各项力学性能，然而并没有分析复合材料的力学性能与结构参数变化间的关系，得出最优化配置，其主要原因是每更新一次参数，都需经历重新建模，分网、再计算等复杂过程。
解决上述技术问题的难度和意义：
解决上述问题的难度主要有以下几点：
(1)根据复合材料的纤维体积含量，预浸料固化成形后厚度等参数建立[0°]、[0°/90°]复合材料结构化RVE模型，根据结构化单胞模型分别加载周期性边界条件，然后实现对[0°]、[0°/90°]复合材料力学性能的预测。
(2)根据结构化单胞模型，基于均匀刚度法，建立细观简化单胞预测模型，通过细观简化单胞模型，对不同复合角度及不同铺层顺序的复合材料进行建模，实现参数化建模，仅需改变单层复合材料材料参数及铺层角度，就可实现当复合材料中铺层角度及铺层顺序变化时，对各项力学性能参数的变化关系进行预测。
解决上述问题的主要意义主要有以下几点：
(1)现有的复合材料性能预测方法太耗时，计算效率不高，而且在横向弹性模量及剪切模量的预测上精度不高，使用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，可在精度及计算效率上提升明显。
(2)建立的基于结构化的细观简化单胞模型有助于减少了建模的难度，降低网格划分的难度，实现了参数化建模，周期性边界条件加载更容易，缩短了有限元计算时间。
(3)基于跨尺度仿真的碳纤维增强复合材料力学性能预测结果可为更多角度、铺层数量及不同铺层顺序的复合材料设计提供了参考，仅需适当的改变单层板参数，就可运用此方法就设计出有效的承受各种特定载荷的结构复合材料结构件或异质复合材料结构件。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种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。
本发明是这样实现的，一种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，包括：
进行跨尺度仿真的复合材料力学性能的预测：建立[0°]、[0°/90°]的结构化单胞模型对碳纤维增强复合材料力学性能进行预测；
建立基于均匀刚度法的细观简化单胞预测模型；
预测碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系。
进一步，所述预测碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系，包括：
随着单层层板间铺设角度的不断增大，在E1、E2呈现反比关系，E3、G13、G23则变化不大；对于G12，随着角度的增大值变大，当铺设角度在35°时到达最大值，随后则减小，最终与单向复合材料相差不大。
进一步，单向复合材料细观微元单胞模型基本尺寸依据预浸料在固化成形后的厚度及纤维体积含量两项参数确定，尺寸计算公式为：
Vf＝4a1π(df/2)2
V＝a12a22a3
a3＝a2tan60°
式中：Vf表示为纤维体积含量；df为纤维束单胞纤维直径；V为纤维束单胞的体积大小；a1、a2、a3分别纤维束单胞的厚度、宽度和高度，其中a1取任意值。
进一步，多向复合材料层中多角度层合结构化单胞模型结构尺寸的确定依据单层预浸料固化成形后的厚度为基准，同时最小单胞模型的基本尺寸还需纤维体积含量确定，尺寸计算公式为：
Vf＝[π(df/2)2]/a4 2
式中：Vf为纤维体积含量；df为纤维束单胞纤维直径；a4为单层纤维束单胞的边界尺寸。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述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的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述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的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的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。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述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的基于跨尺度仿真的碳纤维增强复合材料力学性能预测控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种至少搭载所述基于跨尺度仿真的碳纤维增强复合材料力学性能预测控制系统的复合材料力学性能预测设备。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
(1)提出了跨尺度仿真的复合材料力学性能的预测方法。建立的[0°]、[0°/90°]的结构化单胞模型，根据仿真计算结果图1、图2分别预测出[0°]、[0°/90°]CFRP的力学性能参数表1。
表1[0°]和[0°/90°]及碳纤维增强复合材料的力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000061
(2)建立了基于均匀刚度法的细观简化单胞预测模型。在复合材料力学性能预测上实现了变参数建模，减少了建模工作量，降低网格划分的难度，提高了计算效率，并有助于实现多种异质结构复合材料力学性能上的预测，最后以[0°/90°]碳纤维复合材料为例，具体图3所示。通过对有限元结构化单胞的分析及实验验证了方法的正确性，具体结果表2所示。
表2[0°]和[0°/90°]及碳纤维增强复合材料的力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000062
Figure GDA0004241014710000071
(3)预测了碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系，具体如图5所示。首先预测了随着单层层板间铺设角度的不断增大，在E1、E2呈现反比关系，而E3、G13、G23则变化不大，但是对于G12，随着角度的增大值变大，当铺设角度大约在35°时到达最大值，随后则慢慢减小，最终与单向复合材料相差不大。然后验证了当复合材料在铺层角度相同、不同铺设顺序时，其力学性能上表现为一致性。最后运用实验也进一步验证了模型的正确性，具体如表3所示。
表3多层铺设角度复合材料层合板力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000072
附图说明
图1是本发明实施例提供的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流程图；
图2是本发明实施例提供的单向碳纤维增强复合材料细观有限元方法的预测的过程流程图；
图3是本发明实施例提供的多角度复合材料层合板材料性能预测的方法流程图；
图4是本发明实施例提供的复合材料单层板截面视图；
图5是本发明实施例提供的纤维束单胞模型示意图；
图6是本发明实施例提供的周期性单胞示意图；
图7是本发明实施例提供的[0°]纤维束单胞应力响应云图；
图8是本发明实施例提供的[0°/90°]纤维束单胞模型示意图；
图9是本发明实施例提供的[0°/90°]纤维束单胞应力响应云图；
图10是本发明实施例提供的[0°/90°]纤维束简化单胞示意图；
图11是本发明实施例提供的[0°/90°]简化单胞应力响应云图；
图12是本发明实施例提供的多角度铺层复合材料性能参数图；
图13是本发明实施例提供的多角度复合材料层合板模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种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，包括：
进行跨尺度仿真的复合材料力学性能的预测：建立[0°]、[0°/90°]的结构化单胞模型对碳纤维增强复合材料力学性能进行预测；
建立基于均匀刚度法的细观简化单胞预测模型；
预测碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系。
所述预测碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系，包括：
随着单层层板间铺设角度的不断增大，在E1、E2呈现反比关系，E3、G13、G23则变化不大；对于G12，随着角度的增大值变大，当铺设角度在35°时到达最大值，随后则减小，最终与单向复合材料相差不大。
本发明实施例提供一种基于跨尺度仿真的碳纤维增强复合材料力学性能预测控制系统。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的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还包括：：
S101：采用细观有限元方法，建立细观层面碳纤维复合材料的单胞预测模型并对碳纤维增强复合材料力学性能的进行预测；
S102：基于刚度均匀法，分别对偏轴角及多角度层合顺序对材料性能进行预测并运用实验对各模型进行对比验证。
本发明实施例提供的碳纤维增强复合材料具有单向复合材料层和多向复合材料层之分，单向碳纤维增强复合材料细观有限元方法的预测的过程为：
S201：将复合材料划分为纤维、树脂及界面层三个区域，建立纤维-基体代表性等效体积单元(RVE)；
S202：加载周期性边界条件，在对各项材料性能预测时，分别施加不同的加载条件并予以求解；
S203：再利用RVE将组分结构与单向层结构联系起来，便可以实现对材料性能的预测。
本发明实施例提供的单向复合材料细观微元单胞模型基本尺寸的确定是依据预浸料在固化成形后的厚度及纤维体积含量两项参数，其他尺寸计算公式为：
Vf＝4a1π(df/2)2
V＝a12a22a3
a3＝a2tan60°
式中：Vf表示为纤维体积含量；df为纤维束单胞纤维直径；V为纤维束单胞的体积大小；a1、a2、a3分别纤维束单胞的厚度、宽度和高度，其中a1可以取任意值。
本发明实施例提供的多向复合材料层中多角度层合结构化单胞模型结构尺寸的确定是依据单层预浸料固化成形后的厚度为基准，同时最小单胞模型的基本尺寸还需纤维体积含量来确定，其他尺寸计算公式为：
Vf＝[π(df/2)2]/a4 2
式中：Vf为纤维体积含量；df为纤维束单胞纤维直径；a4为单层纤维束单胞的边界尺寸。
本发明实施例提供的多角度复合材料层合板材料性能预测的方法为：
S301：在单层单胞模型的基础上，通过计算得出单层单胞模型材料参数，按照多层复合材料单胞结构尺寸，建立同等尺寸的简化单胞；
S302：分别对各层都赋予单层单胞的计算材料性能参数，仅需在软件中设定不同铺设角度，对简化单胞加载周期性边界条件，最后通过提交求解计算实现多层，多角度复合材料性能的预测。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
单向复合材料层合板性能预测
1.1代表性体积单元(RVE)
单向碳纤维增强复合材料主要由纤维、基体及界面组成，为了实现对材料的建模及求解，需将复合材料在结构层面进行理想化处理。假设复合材料是完好的，纤维和基体完美结合，忽略在制备时而产生的空隙和初始微裂纹，其中纤维为横观各向同性材料，基体为各向同性材料。由于在实际结构中纤维排列的随机性，如4中的(a)所示，在建模过程中，一般将纤维排列方式简化为均匀分布(图4中的(b))及交错分布(图4中的(c))，由于交错排列形式更接近于纤维随机分布情况，在纤维束代表性体积模型中常见的是正方形和长方形结构，由于交错式结构主要用长方形单胞结构表示，故本发明采用长方形单元单胞(以下均简称为单胞)预测复合材料各项性能，根据对复合材料结构的描述，因而建立起RVE模型，具体如图5所示。
1.2周期性边界条件
在对单胞有限元分析过程中，对单胞模型施加合理的边界条件是保证仿真模型计算结果准确的关键因素，通过对模型结构的分析，建立的模型细观结构周期性比较明显，宏观结构可以由许多结构相同单胞按照周期性规律堆砌而成，为了减少工作量及实现在不同形式的载荷下可以使用同一组边界条件，本发明建立的单向纤维束单胞模型周期性边界条件是基于平移对称性推导出来。主要核心是假设纤维交错均匀分布，当材料受载后，相邻单元单胞模型始终保持一致连续，不发生分离或相嵌，且边界位移和应力连续。
周期性单胞的示意图如6所示，图中直线段表示纤维束单胞模型在未发生变形前的示意图，曲线表示为单胞模型在外界载荷作用下导致变形后的示意图。从图中可以看出，虽然受外载荷作用使单胞发生变形，然而其边界依旧紧贴在一起，因此在采用单胞模型预测其材料性能时，必须满足各边界的应力连续和位移连续。本发明在借鉴Li的周期性前提下进行了修改，对纤维束单胞模型进行加载周期性边界条件。
在有限元方法里对周期性边界条件的施加通常采用多点约束方程(MPC)来实现。本发明对纤维束单胞模型的周期性边界施加通过ABAQUS软件约束条件加载的Equation功能实现，但因单胞模型中表面节点数量多且排列不规则，加之Equation的加载又涉及主从节点的选取，为提高效率，通过Python软件编制相应的程序实现Equation的自动加载。
1.3宏观力学性能的一体化预测
本发明以实验室制备的碳纤维增强环氧树脂基复合材料为研究对象，采用某公司提供的T700S-12/YP-H26型预浸料，其结构主要由12K东丽T700S碳纤维和YP-H26耐高温环氧树脂组成，其中耐高温环氧树脂的弹性模量为2.9GPa，泊松比为0.33，碳纤维的主要参数如表1所示，具体参数如表1、表2所示，且预浸料质量为200g/m2，树脂体积分数40％，其固化工艺主要参考文献，最后成形后厚度为0.18mm，其纤维体积含量约为59％。
表1碳纤维参数(Gpa)
Figure GDA0004241014710000121
在材料性能上主要由6个独立的弹性常数E1、E2＝E3、G12＝G13、G23、v12＝v13、v23来表征，本发明建立的单胞模型与宏观模型结构一致，都视为横观各向同性材料，在等效本构上关系为：
Figure GDA0004241014710000122
式中：Cij为材料等效刚度矩阵；
Figure GDA0004241014710000123
和/>
Figure GDA0004241014710000124
分别为单胞模型的平均应力和平均应变，可以通过单胞中每个单元的应力及应变获得：
Figure GDA0004241014710000125
Figure GDA0004241014710000126
式中：V为单元单胞体积。
由于建立的纤维束单胞模型中，
Figure GDA0004241014710000127
在施加周期性位移边界条件时是预先进行设定的，而对于/>
Figure GDA0004241014710000128
则有：
Figure GDA0004241014710000129
式中：(Pi)j为第j面上节点i方向的约束反力之和；Sj为单胞的第j面。
因而复合材料单胞模型的6个独立参数可由下式求得：
Figure GDA00042410147100001210
Figure GDA00042410147100001211
式中：Ei为纤维单胞的i方向的弹性模量；Gij表示为i、j方向的剪切模量，其中i,j＝1,2,3，在指标上不求和。
因而通过建立纤维束单胞模型，只需在X方向(纤维方向)施加一定应力，则可根据计算出的X、Y、Z方向的应变得到X方向的弹性模量E1；对单胞模型施加Y方向的应力，则可得Y方向的弹性模量E2；对单胞模型施加Z方向应力，则可得Z方向的弹性模量E3；当对单胞模型施加剪力时，根据对应的应变结果可分别求出3个方向的剪切模量G12、G13、G23。
在建立纤维束单胞模型后，然后对模型加载周期性边界条件，分别在三个方向上施加大小为1MPa的正应力及剪应力，最后得到在各个载荷作用下的相应的应力云图，如图8所示。
根据施加载荷大小和响应的应变，则可计算得单向碳纤维增强复合材料的在各个方向上的弹性模量值，具体如表2所示。
表2[0°]碳纤维增强复合材料的力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000131
实施例2
2.1多向复合材料力学性能预测
由于多角度复合材料层合板的制备过程中是通过对单层预浸料按照一定角度进行铺设，在高温高压的作用下使各层预浸料发生粘合，通过冷却固化成为一个整体的受力结构组件，且各层预浸料的纤维间交错作用使其在加热、冷却、固化作用下(不考虑纤维制备过程中产生断裂)依旧保持原来的状态，各纤维束之间没有发生相互的嵌入，因此，采用均匀排列的方式对多角度层合板单胞建模。在单层板纤维束单胞模型中，为更接近纤维的随机分布而考虑纤维束的交错排列方式，单胞模型采用的长方形结构，而在对多角度纤维束单胞建模由于各层预浸料的纤维丝的交错作用，相互没有嵌入，故单层单胞模型采用正方形结构单胞，且[0°/90°]复合材料是最常见多角度层合板，因而本小节以此为例进行分析。
对于[0°/90°]材料，假设纤维笔直地铺设在基体中，纤维束截面形状为圆形。
由于实验室制备的单层复合材料在固化成形后的厚度约为0.18mm，即a3≈0.18mm，且Vf＝0.59，故可得df＝0.1572mm，最后根据此建立[0°/90°]纤维束单胞模型，具体如9所示。
同时，与单层纤维束单胞一样，在分别设定纤维、基体材料参数及对多角度单胞模型加载完周期性边界条件后，在三个方向上施加大小为1MPa的正应力及剪应力，分别得到在各个方向上的应力响应云图，如9所示。
根据施加的载荷大小和响应的应变，则可计算出[0°/90°]碳纤维增强复合材料的在各个方向上的弹性模量值，具体如表4所示；
表4[0°/90°]碳纤维增强复合材料的力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000141
2.2多角度层合板单胞简化模型
复合材料层合板是由不同材料属性的单向层合板构成，或不同纤维铺设方向采用相同材质的各向异性单层板组合，对类似于[0°/90°]碳纤维增强复合材料是由相同材质不同铺设角度组成的。但当设计特定载荷的复合材料结构时，其单层预浸料铺层的方向偏离材料纤维排布方向的可能性有无穷多种，采用结构化单胞建模方法进行结构化建模则又涉及建模时间长，计算量过程复杂等问题，主要原因是改变任意一个参数需要重新建模及对材料参数进行重新设定与再计算，当对单胞模型在加载周期性边界条件时，由于网格的不规则性使得过程比较繁琐，最终在整体的分析过程中比较耗时。
因而，本发明提出一种基于刚度均匀法的多角度复合材料层合板材料性能预测的方法，其核心思想是首先在单层单胞模型的基础上，通过计算得出单层单胞模型材料参数，按照多层复合材料单胞结构尺寸，建立同等尺寸的简化单胞。然后分别对各层都赋予单层单胞的计算材料性能参数，仅需在软件中设定不同铺设角度，对简化单胞加载周期性边界条件，最后通过提交求解计算实现多层，多角度复合材料性能的预测，如图10所示。为验证此方法的正确性，本发明依旧以[0°/90°]材料为例对其材料性能的进行预测。
根据建立的[0°/90°]单胞模型尺寸，按照同等尺寸分别建立同等尺寸的简化模型，由于简化的单胞是相同材质，故按照计算出的各材料性能值表2，分别对两个单层单胞赋予相同材料属性，然后通过设定不同的铺层顺序，具体见图10所示。以同样的方式对简化单胞加载周期性边界条件，在三个方向上施加大小为1MPa的正应力及剪应力，最后得到在各个方向上的应力响应云图，具体如图11所示。
根据施加的载荷大小和响应的应变，则可通过简化单胞模型计算出[0°/90°]碳纤维增强复合材料的在各个方向上的弹性模量值，具体如表4所示：
表4[0°/90°]碳纤维增强复合材料的力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000151
从表3及表4对比中可以看出，本发明提出的基于刚度均匀法的单胞简化模型与细观有限元模型性能预测模型结果较一致，其中误差来源主要是在对单元单胞的单元赋予材料属性时，各材料参数取其近似值及各近似值误差累积而导致的。
2.3多角度复合材料的性能预测分析
(1)铺层角度性能预测
本发明通过建立的简化单胞模型，分别对复合材料单层板铺设角度[0°～90°]范围的多角度层合板的性能进行预测。根据建立简化单胞模型的方法，分别建立跨度在15°的复合材料单胞预测模型，即[0°/15°]、[0°/30°]、[0°/45°]、[0°/60°]、[0°/75°]五种不同铺设方式的碳纤维复合材料模型，通过同样的方法分别预测得出各材料的基本参数性能，加上计算[0°/90°]的材料参数，最后绘制出总体趋势图，具体如图12中的(a)和(b)所示：
从图12中的(a)中可以看出，随着单向层板间铺设角度的增大，纵向弹性模量E1在开始阶段急剧减小，当达到铺设角度大于45°时其值变化不大，相反，当两铺层间夹角大于45°的时，横向弹性模量E2才开始逐渐变大，而当铺设角度达90°时，E1等于E2，而横向弹性模量E3随着铺设角度的增大，其值的大小几乎没有变化。同时，从图12中的(b)中可以看出，随着铺设角度的增大，剪切模量G13的值逐渐减小，剪切模量的G23值逐渐增大，但值变化不大，最终在铺设角度为90°时相等，而对于G12，随着铺设角度的增大，其值慢慢增大到某一最大值，随后则慢慢减小，在90°时其值达最小，然而由于设定其铺设角度跨度较大，故在此区间内又进行跨度5°进行分析，最终得出，对于本发明采用的材料参数模型，其当铺设角度大约在35°时，其G12值最大，大约在9.1GPa。
(2)铺层顺序性能预测
为改善复合材料的压缩和抗冲击性能，保证材料整体的稳定性及承载力，复合材料一般会采用多铺层结构设计，±45°铺层角度在复合材料结构中是最为常见的，但是其铺层顺序可能对复合材料性能产生较大影响，因而本发明在基于简单单胞模型的基础上，分别对多层角度(0、±45°、90°)及不同铺层顺序([0°/90°/45°/-45°]、[0°/45°/90°/-45°])的复合材料层合板性能进行预测，目的是验证铺层顺序对材料性能的影响，最后得到结果如表6所示。
表6多层铺设角度复合材料层合板力学性能(GPa)
Figure GDA0004241014710000161
从表6可以看出，相同铺层数量、相同的铺设角度，不同铺设顺序的复合材料板，在整体宏观性能上表现为一致。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种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，其特征在于，所述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包括：
进行跨尺度仿真的复合材料力学性能的预测：建立[0°]、[0°/90°]的结构化单胞模型对碳纤维增强复合材料力学性能进行预测；
建立基于均匀刚度法的细观简化单胞预测模型；
预测碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系；
所述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还包括：
S101：采用细观有限元方法，建立细观层面碳纤维复合材料的单胞预测模型并对碳纤维增强复合材料力学性能的进行预测；
S102：基于刚度均匀法，分别对偏轴角及多角度层合顺序对材料性能进行预测并运用实验对各模型进行对比验证；
碳纤维增强复合材料具有单向复合材料层和多向复合材料层之分，单向碳纤维增强复合材料细观有限元方法的预测的过程为：
S201：将复合材料划分为纤维、树脂及界面层三个区域，建立纤维-基体代表性等效体积单元RVE；
S202：加载周期性边界条件，在对各项材料性能预测时，分别施加不同的加载条件并予以求解；
S203：再利用RVE将组分结构与单向层结构联系起来，便可以实现对材料性能的预测；
多角度复合材料层合板材料性能预测的方法为：
S301：在单层单胞模型的基础上，通过计算得出单层单胞模型材料参数，按照多层复合材料单胞结构尺寸，建立同等尺寸的简化单胞；
S302：分别对各层都赋予单层单胞的计算材料性能参数，仅需在软件中设定不同铺设角度，对简化单胞加载周期性边界条件，最后通过提交求解计算实现多层，多角度复合材料性能的预测；
单向复合材料细观微元单胞模型基本尺寸依据预浸料在固化成形后的厚度及纤维体积含量两项参数确定，尺寸计算公式为：
Vf＝4a1π(df/2)2
Figure FDA0004176769100000021
a3＝a2tan60°
式中：Vf表示为纤维体积含量；df为纤维束单胞纤维直径；V为纤维束单胞的体积大小；a1、a2、a3分别纤维束单胞的厚度、宽度和高度，其中a1取任意值；
多向复合材料层中多角度层合结构化单胞模型结构尺寸的确定依据单层预浸料固化成形后的厚度为基准，同时最小单胞模型的基本尺寸还需纤维体积含量确定，尺寸计算公式为：
Vf＝[π(df/2)2]/a4 2
式中：Vf为纤维体积含量；df为纤维束单胞纤维直径；a4为单层纤维束单胞的边界尺寸。
2.如权利要求1所述的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，其特征在于，所述预测碳纤维增强复合材料性能与单层预浸料铺层角度变化及不同铺层顺序的关系，包括：
随着单层层板间铺设角度的不断增大，在E1、E2呈现反比关系，E3、G13、G23则变化不大；对于G12，随着角度的增大值变大，当铺设角度在35°时到达最大值，随后则减小，最终与单向复合材料相差不大；E1、E2、E3、G13、G23、G12表示弹性常数。
3.一种实现权利要求1～2任意一项所述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的信息数据处理终端。
4.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-2任意一项所述的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。
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110264555B (zh) * 2019-05-05 2023-03-31 宜兴市新立织造有限公司 一种基于Micro-CT三维五向编织复合材料统计细观模型建立方法
CN110245455B (zh) * 2019-06-25 2023-05-02 南京航空航天大学 一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法
CN110502793B (zh) * 2019-07-23 2021-09-17 南京航空航天大学 一种单向陶瓷基复合材料偏轴拉伸试验件优化设计方法
CN110555279A (zh) * 2019-09-10 2019-12-10 北京航空航天大学 双随机条件下三维四向编织复合材料强度的多尺度分析方法
CN110750906B (zh) * 2019-10-24 2023-04-21 威海光威复合材料股份有限公司 基于复合材料细观力学的复合材料性能预测方法
CN111223186B (zh) * 2020-01-15 2022-03-25 中南大学 三维随机孔结构模型的物理建模方法、系统和设备
CN111259597B (zh) * 2020-03-05 2021-01-26 上海索辰信息科技股份有限公司 一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法
US20220284150A1 (en) * 2020-07-16 2022-09-08 Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics Dynamic Progressive Failure Analysis Method For Composite Multi-Scale Model
CN112036080B (zh) * 2020-08-19 2023-08-22 江苏科技大学 一种复合材料结构参数的确定方法
CN112163273B (zh) * 2020-09-26 2022-09-09 上海交通大学 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法
CN112257266B (zh) * 2020-10-23 2024-02-02 中国科学院微小卫星创新研究院 复合材料层合板的重要性分析系统及方法
CN112613162B (zh) * 2020-12-02 2022-06-21 浙江大学 碳纳米管纤维增强复材有效热传导系数的多尺度计算方法
CN113128097B (zh) * 2021-04-29 2023-11-17 浙江理工大学 一种多孔纳米纤维介质热传递性能模拟预测的方法
CN113536619B (zh) * 2021-05-24 2023-05-16 天津中德应用技术大学 一种碳纤维增强复合材料模压成型工艺参数优化方法
CN113486552B (zh) * 2021-07-01 2023-11-17 江苏科技大学 一种单向复合材料弯曲刚度预测方法
CN113722830B (zh) * 2021-09-03 2023-04-11 华南理工大学 固体火箭发动机c/c复合材料喷管烧蚀行为建模仿真方法
CN114492009A (zh) * 2022-01-17 2022-05-13 北京理工大学 针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法
CN116384015B (zh) * 2023-06-05 2023-09-15 中国航发四川燃气涡轮研究院 一种复合材料层合板结构强度的分析方法
CN116646037B (zh) * 2023-07-25 2023-10-13 北京理工大学 复合材料固化变形的分析方法、装置、设备及介质
CN116644619B (zh) * 2023-07-27 2023-09-22 北京理工大学 纤维预制体成型工艺的压力优化方法、装置、设备及介质
CN117725806B (zh) * 2024-02-08 2024-05-07 北京理工大学 复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置
CN117747033B (zh) * 2024-02-08 2024-04-19 北京理工大学 复合材料网格结构数字化建模方法和建模装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103366085A (zh) * 2013-06-08 2013-10-23 上海交通大学 编织复合材料力学性能的多尺度预测方法
CN107239642A (zh) * 2017-07-10 2017-10-10 南京航空航天大学 面向碳纤维增强复合材料钻削的多尺度数值仿真方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103366085A (zh) * 2013-06-08 2013-10-23 上海交通大学 编织复合材料力学性能的多尺度预测方法
CN107239642A (zh) * 2017-07-10 2017-10-10 南京航空航天大学 面向碳纤维增强复合材料钻削的多尺度数值仿真方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Critical thrust force predicting modeling for delamination-free drilling of metal-FRP stacks;Zhenchao Qi 等;《Composite Structures》;20140131;第107卷;第604-609页 *

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