CN110941922A - 一种预测复合材料层压板层间和纤维带间损伤的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测复合材料层压板层间和纤维带间损伤的仿真方法，包括：生成基础网格；生成预置纤维带界面层的基础铺层；将基础铺层叠合成复合材料层压板模型，并预置层间界面；对模型的材料属性进行设计，生成纤维增强复合材料层压板；设置生成的纤维增强复合材料层压板的边界条件、载荷条件和运行控制条件，预测其强度和损伤。本发明通过参数化建模实现集网格划分、结构建模和损伤分析为一体，自动生成预置层间和纤维带间界面单元的复合材料层压板3D模型，能实现层压板层间和纤维带间耦合裂纹的起始、扩展及最终失效全过程预测，解决了现有商业软件尚未克服的难题，提高了铺层复合材料的失效模式仿真分析置信度，有效降低了科研成本。

Description

一种预测复合材料层压板层间和纤维带间损伤的仿真方法

技术领域

本发明属于复合材料结构建模和仿真技术领域，特别涉及一种多向复合材料层压板的3D建模和预测层间界面和纤维带间界面损伤的仿真方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料(FRP)多为铺层层压板结构，其优异的力学性能主要表现在纤维轴向方向，但是纤维与树脂之间的弱界面结合力和树脂固有的脆性，使得铺层层压板的层间性能较差。

此外，一般来说，复合材料预浸料和纤维自动铺丝铺带工艺制备的大型复合材料制件都是由一束束纤维带铺覆而成，因此纤维带与纤维带之间的树脂界面很容易产生层内裂纹。特别地，当利用纤维混杂来进行复合材料增强增韧时，即采用两种或两种以上的纤维混杂同种基体形成混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Plastics，HFRP)，这种以纤维束/带的形式进行混杂的混杂方法虽然能够增加复合材料中两种纤维的分散度，从而进一步提高复合材料的强度和韧性，但不同材料的纤维带与纤维带之间的树脂界面更容易成为产生层内裂纹的薄弱环节。

目前，利用经典层压板理论(CLT)虽然可以准确预测铺层刚度，但对受基体和界面的次临界损伤影响的整体强度预测精度较低。试验中铺层纤维断裂前的密集声发射能量部分来自于基体和界面的非广布裂纹和分层，损伤模式十分复杂，包括边缘纤维损伤，纤维和基体的界面微失效等。这一过程中，主导裂纹和裂纹起始位置的明确十分困难，局部层内裂纹起始位置和扩展路径以及层内和层间裂纹的耦合扩展过程十分复杂。这就要求仿真和建模方法在更加细节的结构方面进行研究。

发明内容

针对现有技术中商业软件手动难以绘制铺层复合材料结构中纤维束/带间的界面层，由此无法高精度地研究复合材料层压板层内裂纹起始和扩展失效过程的问题，本发明通过参数化建模实现集网格划分、结构建模和损伤分析为一体，自动生成预置层间界面以及纤维带间界面的复合材料3D模型，并预测层压板在载荷作用下生成的层内与纤维带间耦合裂纹的起始和扩展及最终失效的过程，解决了现有商业软件尚未克服的难题，提高了铺层复合材料的失效模式仿真分析置信度，有效降低了科研成本。此外，由于本发明比较准确地模拟了纤维带间损伤的起始和扩展过程，以及对纤维方向应力集中的影响，因此预测的强度精度达到了比较高的水平。

本发明提供了一种预测复合材料层压板层间界面和纤维带间损伤的仿真方法，包括如下步骤：

S1：建立网格单胞单元，并根据铺层角度参数化网格单胞单元，然后基于参数化后的网格单胞单元、整个层压板单层的长度、宽度和厚度建立单层基础网格模型；

S2：基于步骤S1中建立的单层基础网格模型，根据铺层角度种类、纤维带带宽和整个层压板单层的长度、宽度和厚度，生成数量与铺层角度的种类一致的基础层压板模型，然后在所生成的基础层压板模型中的相邻纤维带间预置界面单元，生成预置纤维带间界面单元的基础层压板模型；

S3：根据铺层角度、铺层数量、铺层顺序，调用和组合相应的预置纤维带间界面单元的基础层压板模型，然后在预置纤维带间界面单元的基础层压板模型的相邻层间预置层间界面单元，生成预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层压板3D模型；

S4：对步骤S3中所生成的预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层合板3D模型的每根纤维带的材料属性进行设计，生成纤维增强复合材料层压板；

S5：将模型文件导入有限元求解软件中或者直接修改模型文件中的关键字，对步骤S4中生成的纤维增强复合材料层压板的边界条件、载荷条件和运行控制条件进行设置，通过仿真方法预测纤维增强复合材料层压板的强度和损伤。

进一步，步骤S1中，所述网格单胞单元的长度方向为0°铺层方向，宽度方向为90°铺层方向，对角线方向与铺层角度对应，根据铺层角度调整网格单胞单元的对角线夹角。

进一步，步骤S2中，所述纤维带间界面单元的厚度方向垂直于纤维带方向，所述纤维带间界面单元的长度与网格单胞单元的长度、宽度或者对角线长度之一成1:1比例关系。

在一些实施方式中，所述纤维带间界面单元和所述层间界面单元的厚度可以为0.001mm～0.1mm。

在一些实施方式中，步骤S4中，生成的复合材料层压板可以包括纤维层内混杂复合材料层压板、纤维层间混杂复合材料层压板和纤维层内/层间混合的混杂纤维复合材料层压板。

进一步，步骤S5具体包括如下子步骤：

S51：通过修改模型文件中对应的关键字，或者将模型文件导入有限元软件中，设置预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板的边界条件、载荷条件和运行控制条件；

S52：运行不同载荷条件和运行控制条件下的预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板模型，获取对应的应力-应变曲线；

S53：采用层合板理论和相应力学公式，对应力-应变曲线结果进行分析，得到预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板的力学性能；

S54：结合损伤判据和断裂准则理论，预测预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板在不同载荷作用下的层间、层内、或者层间层内耦合裂纹起始和扩展路径。

本发明的有益效果：

1)本发明采用模拟技术，能够在复合材料层压板纤维带间建立层内界面层，模拟层压板中纤维带间的裂纹起始和扩展路径，并且在层压板层间预置界面层模拟复合材料层压板层间的裂纹起始和扩展，丰富了铺层复合材料的强度和损伤模式预测方法并提高了预测精度。

2)本发明通过在基础角度铺层中预置纤维带间界面单元，能够研究每层铺层中不同纤维体系的纤维带间界面层的作用，从而可以对混杂纤维复合材料层内混杂结构的力学性能和损伤模式进行细节研究。

3)本发明通过参数化建模实现集网格划分、结构建模和损伤分析为一体，自动生成预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层压板模型，并预测层压板层间与纤维带间耦合裂纹的起始和扩展及最终失效的过程，解决了现有商业软件尚未克服的难题，提高了铺层复合材料的失效模式仿真分析置信度，有效降低了科研成本。

附图说明

图1(a)-(f)为本发明实施例采用参数化自动建模工具自动生成复合材料层压板3D模型的参数文件；

图2为本发明实施例参数化自动建模工具中生成模型文件的程序编译软件示意图；

图3为本发明的预测复合材料层压板层间界面和纤维带间损伤的仿真方法示意图；

图4为本发明一实施例的基础网格模型的示意图；

图5为本发明实施例的基础层压板的示意图；

图6为本发明实施例的复合材料层压板的纤维带间界面单元示意图；

图7为本发明一实施例的复合材料层压板[0/45/-45/90]_s铺层结构示意图；

图8为图7的铺层结构的拉伸应-力应变曲线；

图9为图7的铺层结构的裂纹扩展路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明采用参数化自动建模工具自动生成复合材料层压板的LS-Dyna数据格式的有限元模型，其中采用的参数化自动建模工具包括三大功能块：模型网格生成工具包、模型生成工具包和性能预测工具包。本发明中的模型参数可以导出成其他格式的文件，同时与其他网格划分、有限计算和后处理软件进行接口，比如HYPERMESH，ABAQUS和ANSYS等。用户首先在txt文件中输入网格尺寸、铺层厚度、铺层顺序、纤维带宽等参数，如图1(a)所示；然后依次运行网格生成工具包和模型生成工具包中的子程序，生成所需的网格和模型参数文件，即Key文件，主要包括节点和单元坐标等信息，如图1(b)示出了网格模型基本参数，图1(c)示出了层压板3D模型的参数文件；并进一步对模型Key文件中材料参数，加载边界和运行条件等关键字进行设置和修改(见图1(d)-(f))，最后在LS-Dyna求解器中提交计算，对模型的力学性能进行预测。本实施例中所有的子程序都是在Fortran语言环境下(对应软件为Microsoft visual studio)进行编译和运行计算，生成的网格单元和复合材料层压板模型文件的程序和软件如图2所示。

如图3所示，本发明实施例提供的预测复合材料层压板层间和纤维带间损伤的仿真方法包括如下步骤：

S1：生成基础网格

S11：在txt文件中填写或修改网格单元的几何信息，包括长、宽、高、对角线角度等，建立网格单胞单元并根据铺层角度参数化网格单胞单元。网格单胞单元的长度方向为0°铺层方向，宽度方向为90°铺层方向，对角线夹角方向与铺层角度对应，可以根据铺层角度调整网格单胞单元的对角线夹角，从而改变网格单胞单元的几何尺寸，包括长度、宽度，即参数化网格单胞单元。

S12：在txt文件中输入单层层压板的网格单元的长度、宽度、纤维带带宽和厚度、铺层角度等信息，即，参数化复合材料层压板的单层网格。图4示出了对应于某铺层角度的基础网格的示意图，每个网格单胞厚度与纤维带厚度一致，在本实施例中包含12个网格单元，每层基础层压板模型都由多个网格单胞组成。

S13：在Fortran编译环境中运行自动建模工具中建立网格的子程序，结合txt文件中的参数信息，生成单层基础网格模型，将生成的单层基础网格模型输出为例如LS-Dyna、Abaqus、Ansys等建模软件的可读入文件，本实施例以LS-Dyna求解器可读入的key格式文件为例。

S2：生成预置层间界面和纤维带间界面的基础层压板

S21：读取单层基础网格模型生成的LS-DYNA可读入的key文件，根据输入txt文件中铺层角度种类、纤维带带宽和整个复合材料层压板的长、宽、高等参数，运行程序，生成对应于铺层角度的多个独立的基础多向层压板，即，生成的基础层压板的数量与铺层角度的种类一致。以0°、45°、-45°、90°四种铺层角度为例，此时采用的网格单胞中对角线夹角θ为45°，生成的4个基础层压板分别如图5所示，其中A表示纤维带间界面，h为纤维带带宽。若铺层角度为60°，-60°，0°的铺层设计，则网格对角线夹角θ设定为60°，相邻铺层的角度差必须为网格单胞对角线夹角的整数倍。

S22：在所生成的基础层压板中的相邻纤维带间预置界面单元。特别地，纤维带间界面单元的厚度方向垂直于纤维带方向，界面单元的长度与网格单胞的长度、宽度或者对角线长度之一成比例关系。优选地，纤维带间界面单元的厚度为0.001mm～0.1mm。图6示出了铺层角度为45°、90°、0°的复合材料层压板的层内界面单元S的示意图。

S23：在Fortran编译环境中运行自动建模工具中建立模型的子程序，将生成的预置纤维带间界面单元的基础层压板逐层输出为例如LS-Dyna、Abaqus、Ansys等建模软件的可读入文件，例如key文件、inp文件或者nastran文件，本实施例主要以LS-Dyna可读入的key文件为例，此时输出的文件数与预置纤维带间界面单元的基础层压板的个数一致。

S3：生成预置层间界面和纤维带间界面的单向或多向复合材料层压板3D模型

S31：读取预置纤维带间界面的基础层压板生成的多个模型文件，例如key文件、inp文件或者nastran文件，本实施例主要以LS-Dyna可读入的key文件为例，根据输入文件，即txt文件中的信息，包括铺层角度、铺层数量、铺层顺序等输入参数，调用对应的预置纤维带间界面的基础层压板，每个基础层压板可多次调用，根据需求随机组合。

S32：在Fortran编译环境中运行自动建模工具中建立模型的子程序，在每两个相邻基础层压板的层间插入界面单元，叠合成带有层间和纤维带间界面单元的复合材料层压板模型。图7示出了预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层压板[0/45/-45/90]s的示意图。特别地，层间界面单元厚度方向垂直于相邻纤维铺层。

S33：将生成的预置层间界面和纤维带间界面的复合材料层压板模型输出为例如LS-Dyna、Abaqus、Ansys等建模软件的可读入文件，例如key格式文件、nastran文件和inp文件。

S4：对预置层间界面和纤维带间界面的复合材料层压板模型进行材料体系设计

S41：读入所生成的带有层间界面和纤维带间界面的复合材料层合板模型，对纤维带给予不同材料属性，生成纤维层内混杂、层间混杂和层内/层间混合的混杂纤维复合材料层压板；

S42：将生成的混杂纤维复合材料层压板或纯纤维增强复合材料层压板(即纤维带材料属性相同)输出为例如LS-Dyna、Abaqus、Ansys等建模软件的可读入文件。

S5：预测生成的预置层间界面和纤维带间界面的复合材料层压板的强度和损伤

S51：预置层间界面和纤维带间界面的复合材料层压板的边界条件、载荷条件和运行控制条件等都可以在LS-Dyna直接进行设置，或者在key文件中通过修改编辑对应的参数，从而实现高效建模和分析和批量计算的功能。在一些实施方式中，边界条件可以包括简支梁、悬臂梁等，载荷条件可以包括单轴拉伸、单轴压缩、三点弯、冲击载荷等，运行控制条件可以包括静态分析和动态分析等。

S52：采用层合板理论和相应力学公式，对应力-应变曲线结果进行分析，得到预置层间界面和纤维带间界面的复合材料层压板的力学性能，包括强度、模量和泊松比等。图8为图5的[0/45/-45/90]s铺层结构的拉伸应力-应变曲线，从图中可以看出，通过分析复合材料层压板的层间界面和纤维带间界面单元带来的影响，使仿真结果比不考虑界面作用的经典层合板理论计算的结果更接近于实验结果。

S53：结合损伤判据和断裂准则理论，能够预测预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层压板3D模型在不同载荷条件和运行控制条件下的层间、纤维带间、或者层间和纤维带间耦合裂纹起始和扩展路径。图9示出了图5的[0/45/-45/90]s铺层结构在三点弯载荷作用下可能的裂纹扩展路径示意图，其中P1为纤维带间裂纹扩展路径，P2为层间裂纹扩展路径。

应该理解，本发明所涉及的铺层角度并不限于示例中的0°、45°、-45°、90°。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种预测复合材料层压板层间和纤维带间损伤的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立网格单胞单元，并根据铺层角度参数化网格单胞单元，然后基于参数化后的网格单胞单元、整个层压板单层的长度、宽度和厚度建立单层基础网格模型；

S2：基于步骤S1中建立的单层基础网格模型，根据铺层角度种类、纤维带带宽和整个层压板单层的长度、宽度和厚度，生成数量与铺层角度的种类一致的基础层压板模型，然后在所生成的基础层压板模型中的相邻纤维带间预置界面单元，生成预置纤维带间界面单元的基础层压板模型；

S3：根据铺层角度、铺层数量、铺层顺序，调用和组合预置纤维带间界面单元的基础层压板模型，然后在预置纤维带间界面单元的基础层压板模型的相邻层间预置界面单元，生成预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层压板3D模型；

S4：对步骤S3中所生成的预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层合板3D模型的每根纤维带的材料属性进行设计，生成纤维增强复合材料层压板；

S5：将模型文件导入有限元求解软件中或者直接修改模型文件中的关键字，对步骤S4中生成的纤维增强复合材料层压板的边界条件、载荷条件和运行控制条件进行设置，通过仿真方法预测纤维增强复合材料层压板的强度和损伤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述网格单胞单元的长度方向为0°铺层方向，宽度方向为90°铺层方向，对角线方向与铺层角度对应，根据铺层角度调整网格单胞单元的对角线夹角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述纤维带间界面单元的厚度方向垂直于纤维带方向，所述纤维带间界面单元的长度与网格单胞单元的长度、宽度或者对角线长度之一成1:1比例关系。

4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述纤维带间界面单元和所述层间界面单元的厚度为0.001mm～0.1mm。

5.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤S4中，生成的纤维增强复合材料层压板包括纤维层内混杂复合材料层压板、纤维层间混杂复合材料层压板和纤维层内/层间混合的混杂纤维复合材料层压板。

6.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括如下子步骤：

S51：通过修改模型文件中对应的关键字，或者将模型文件导入有限元软件中，设置预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板的边界条件、载荷条件和运行控制条件；

S52：运行不同载荷条件和运行控制条件下的预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板，获取对应的应力-应变曲线；

S53：采用层合板理论和相应力学公式，对应力-应变曲线结果进行分析，得到预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板的力学性能；

S54：结合损伤判据和断裂准则理论，预测预置层间界面单元和纤维带间界面单元的纤维增强复合材料层压板在不同载荷作用下的层间、层内或者层间层内耦合裂纹起始和扩展路径。

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