CN114492009A - 针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法，包括：根据针刺结构将复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域；复合材料包括斜纹布铺层和网胎铺层；对单独针刺区域中每一个单胞，确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，根据面内偏转角度和面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能；根据刚度均匀化方法计算得到单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能；根据非针刺区域、重复针刺区域分别对应的刚度性能以及所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能，确定复合材料的刚度性能。本方案，能够确定出针刺斜纹布复合材料的纤维路径和刚度性能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及复合材料力学性能测试技术领域，特别涉及一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法。
背景技术
三维针刺复合材料是利用针刺技术将无纬布和/或斜纹布与网胎等纤维复合材料铺层中的面内纤维引入到厚度方向，形成一种独特的三维网状的预制体。由于三维针刺复合材料的层间性能好、结构均匀、生产成本低、工艺简单、设计性强，因此其应用价值也较大。目前在航空刹车盘、固体火箭发动机喷嘴喉衬、出口喷管及工业高温炉、高温坩埚等方面广泛应用。
现有技术中，三维针刺复合材料性能的计算方法，均是针对无纬布复合材料进行的，未有针对斜纹布复合材料的计算方法，而无纬布和斜纹布的材料结构完全不同。由于三维针刺复合材料的力学性能与纤维走向、含量和损伤有关，当铺层的材料结构不同时，铺层下纤维的走向和含量均是不同的，那么其力学性能也就不同。可见，现有技术方案无法应用到斜纹布复合材料的性能计算方法中，亟需提供一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法。
发明内容
基于上述问题，本发明实施例提供了一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法，能够确定出针刺斜纹布复合材料的纤维路径和刚度性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法，包括：
根据针刺结构将所述复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域；所述复合材料包括斜纹布铺层和网胎铺层；
分别计算所述非针刺区域和所述重复针刺区域的刚度性能；
对所述单独针刺区域中的每一个单胞，确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，并根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能；
根据刚度均匀化方法计算得到所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能；
根据所述非针刺区域、重复针刺区域分别对应的刚度性能以及所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能，确定所述复合材料的刚度性能。
优选地，所述确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，包括：
将该单胞中的网胎铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0；
将该单胞中的斜纹布铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度通过如下方式计算：
利用第一公式计算得到纤维的面内偏转角度；
所述第一公式为：
其中，α为面内偏转前(x,y,z)坐标位置上的纤维对应的面内偏转角度；
大于Rn；其中，三维坐标轴的原点为针刺圆心点；
利用如下确定方式确定纤维的面外偏转角度：
利用如下第二公式计算纤维面外偏转后(x0,y0,z0)坐标位置上的深度z0；
根据纤维面外偏转后的深度确定面外偏转方向；
对面外偏转方向进行反正切计算，得到纤维的面外偏转角度；
所述第二公式为：
其中，Hd表示纤维偏转深度，Re表示针刺区域半径，Rn表示针刺纤维束半径。
优选地，
在所述将该单胞中的斜纹布铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度通过如下方式计算之前，还包括：
将该单胞中的斜纹布铺层划分为纱线搭接区域、经纱单独区域、纬纱单独区域和基体区域；并将所述基体区域中纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0，以及将所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域的面内偏转角度确定为0；
针对所述纱线搭接区域，利用所述第一公式执行所述计算纤维的面内偏转角度；
针对所述纱线搭接区域、所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域，利用所述确定方式执行所述确定纤维的面外偏转角度。
优选地，在针对所述纱线搭接区域、所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域，利用所述确定方式执行所述确定纤维的面外偏转角度时，所述根据纤维面外偏转后的深度确定面外偏转方向，包括：
所述纱线搭接区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
所述经纱单独区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
所述纬纱单独区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
其中，
优选地，所述根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能，包括：
确定该单胞中每一铺层上纤维未偏转时对应的刚度矩阵；
根据该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度/面外偏转角度，确定该单胞中每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦；
根据确定的方向余弦构建转置矩阵；
根据该单胞每一铺层上纤维未偏转时对应的刚度矩阵与构建的对应转置矩阵，计算得到该单胞每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能。
优选地，在所述确定该单胞中每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦之前，还包括：
判断纤维的面内偏转角度/面外偏转角度是否为0，若是，则将纤维未偏转时对应的刚度矩阵确定为纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能；若否，则执行所述确定纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦。
优选地，
所述非针刺区域的刚度性能计算方式，包括：利用Texgen软件和Abaqus有限元软件计算所述非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能；利用Morii–Tanaka随机模型计算所述非针刺区域的网胎铺层的刚度性能；根据所述非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能和所述非针刺区域的网胎铺层的刚度性能，确定所述非针刺区域的刚度性能；
和/或，
所述重复针刺区域的刚度性能计算方式，包括：将所述重复针刺区域的复合材料确定为单向纤维增强材料，并利用用于计算单向纤维增强材料的刚度性能计算公式计算所述重复针刺区域的刚度性能。
本发明实施例提供了一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法，通过将复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域，三个区域中纤维偏转特征不同，因此针对三个区域分别进行刚度性能计算，具体在针对单独针刺区域进行计算时，可以基于细观单胞方式进行计算，基于斜纹布的材料结构特征，其纤维在单独针刺时存在面内偏转和面外偏转，因此，通过确定单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，即可计算出面内偏转时的刚度性能和面外偏转时的刚度性能。可见，本方案考虑到了斜纹布中纤维的面内偏转特征和面外偏转特征，能够确定出针刺斜纹布复合材料的纤维路径和刚度性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种复合材料对应非针刺区域的材料结构特征图；
图3是本发明一实施例提供的一种复合材料对应单独针刺区域的材料结构特征图；
图4是本发明一实施例提供的一种复合材料对应重复针刺区域的材料结构特征图；
图5是本发明一实施例提供的斜纹布模型示意图；
图6是本发明一实施例提供的对图5去除基体后得到的斜纹布示意图；
图7是本发明一实施例提供的一种斜纹布铺层的材料结构特征图；
图8是本发明一实施例提供的三维针刺斜纹布复合材料中的RVEB单胞模型的应力云图；
图9是本发明一实施例提供的三维针刺无纬布复合材料中的RVEB单胞模型的应力云图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，由于三维针刺复合材料的力学性能与纤维走向、含量和损伤有关，当铺层的材料结构不同时，铺层下纤维的走向和含量均是不同的，那么其力学性能也就不同。对于斜纹布而言，斜纹布包含纱线搭接区域，在针刺过程中，搭接区域会有经纱和纬纱同时向厚度方向偏转，导致三维针刺斜纹布复合材料细观纤维具有复杂的几何形状，与针刺无纬布复合材料下纤维的偏转路径和针刺纤维量均不同，两者之间存在很大差距。若需要对三维针刺斜纹布复合材料的刚度性能进行确定，可以考虑三维针刺斜纹布复合材料中基于不同针刺结构对不同区域分别进行计算，而针对单独针刺区域，基于细观单胞的确定方式，可以考虑针刺后经纱和纬纱的同时偏转的现象，来获得单独针刺区域单胞的刚度性能。
下面描述以上构思的具体实现方式。
请参考图1，本发明实施例提供了一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法，该方法包括：
步骤100，根据针刺结构将所述复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域；所述复合材料包括斜纹布铺层和网胎铺层；
步骤102，分别计算所述非针刺区域和所述重复针刺区域的刚度性能；
步骤104，对所述单独针刺区域中的每一个单胞，确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，并根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能；
步骤106，根据刚度均匀化方法计算得到所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能；
步骤108，根据所述非针刺区域、重复针刺区域分别对应的刚度性能以及所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能，确定所述复合材料的刚度性能。
本发明实施例中，通过将复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域，三个区域中纤维偏转特征不同，因此针对三个区域分别进行刚度性能计算，具体在针对单独针刺区域进行计算时，可以基于细观单胞方式进行计算，基于斜纹布的材料结构特征，其纤维在单独针刺时存在面内偏转和面外偏转，因此，通过确定单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，即可计算出面内偏转时的刚度性能和面外偏转时的刚度性能。可见，本方案考虑到了斜纹布中纤维的面内偏转特征和面外偏转特征，能够确定出针刺斜纹布复合材料的纤维路径和刚度性能。
下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。
首先，针对步骤100，根据针刺结构将所述复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域；所述复合材料包括斜纹布铺层和网胎铺层。
需要说明的是，复合材料除斜纹布铺层和网胎铺层以外，还可以包括其它铺层。当包括其它铺层时，斜纹布铺层和网胎铺层的刚度性能计算方式依据本实施例的计算方式计算得到，其它铺层的刚度性能计算方式可以通过其它铺层对应材料结构的计算方式计算得到。
在对复合材料取样之后，由于不同针刺结构的区域下其复合材料中纤维偏转特征不同，即刚度性能不同，因此，为了计算复合材料的刚度性能，可以根据针刺结构将复合材料进行区域划分。
通过对复合材料进行大量的观测分析，可以得出非针刺区域(RVEA)、单独针刺区域(RVEB)和重复针刺区域(RVEC)中纤维偏转特征不同，其中，RVEA和RVEC中纤维不偏转，即纤维偏转角度为0，而RVEB中纤维发生偏转，即纤维偏转角度大于0。因此，本实施例将复合材料划分成上述三个区域。请参考图2～图4，为复合材料分别对应上述三个区域的材料结构特征。其中，H，L，W为单胞的尺寸，H1为斜纹布铺层的厚度，H2为网胎铺层的厚度，Re表示针刺区域半径，Rn表示针刺纤维束半径。
本发明一个实施例中，在根据针刺结构划分上述三个区域时，至少可以通过如下一种方式划分：
确定对复合材料进行单独针刺之后对应的针刺区域半径；
根据针刺区域半径确定单胞的尺寸；
根据单胞的尺寸，若该尺寸范围内不包括针刺，则该尺寸范围为非针刺区域的一个单胞；若该尺寸范围内为单独针刺，则该尺寸范围为单独针刺区域的一个单胞；若该尺寸范围内为多个针刺，则该尺寸范围为重复针刺区域的一个单胞；
其中，非针刺区域的各单胞形成非针刺区域，单独针刺区域的各单胞形成单独针刺区域，重复针刺区域的各单胞形成重复针刺区域。
需要说明的是，除上述划分方式划分上述三个区域以外，还可以通过其它方式划分上述三个区域，比如，若在一个针刺半径范围内还包括其它针刺纤维束，则该区域为重复针刺区域，否则为单独针刺区域，以及将单独针刺区域和重复针刺区域以外的区域确定为非针刺区域。
然后，针对步骤102，分别计算所述非针刺区域和所述重复针刺区域的刚度性能。
首先针对非针刺区域RVEA的刚度性能计算。
根据图2可知，由于非针刺区域RVEA中纤维未发生偏转，因此，针对RVEA的刚度性能计算，可以通过如下一种方式来实现：利用Texgen软件和Abaqus有限元软件计算所述非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能；利用Morii–Tanaka随机模型计算所述非针刺区域的网胎铺层的刚度性能；根据所述非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能和所述非针刺区域的网胎铺层的刚度性能，确定所述非针刺区域的刚度性能。
其中，Texgen软件用于实现对非针刺区域的斜纹布铺层的建模，然后将建模结果导入至Abaqus有限元软件，通过赋予材料属性和施加边界条件，可以得出非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能。请参考图5和图6，其中，图5为Abaqus有限元软件输出的斜纹布模型示意图，图6是将图5中斜纹布模型的基体去除后得到的斜纹布示意图。
在非针刺区域的网胎铺层的刚度性能计算时，该Morii–Tanaka随机模型的计算公式为：
其中，K和G分别表示网胎铺层的有效体积模量和剪切模量，Km和Gm分别表示基体的有效体积模量和剪切模量，下标r代表纤维，下标m代表基体。cr和cm分别表示网胎铺层中纤维和基体的体积含量，kr、lr、mr、nr和pr代表希尔常数，若纤维方向为z向，希尔常数与纤维的刚度系数矩阵各分量有以下对应关系：
其中，刚度系数矩阵各分量计算如下，含下标的E、G和v代表纤维的有效模量：
然后针对重复针刺区域RVEC的刚度性能计算。
根据图4可知，由于重复针刺区域RVEC中纤维发生偏转之后可以看作单向纤维增强材料，因此，针对RVEC的刚度性能计算，可以通过如下一种方式来实现：将所述重复针刺区域的复合材料确定为单向纤维增强材料，并利用用于计算单向纤维增强材料的刚度性能计算公式计算所述重复针刺区域的刚度性能。
其中，用于计算单向纤维增强材料的刚度性能计算公式可以采用Chamis公式，该Chamis公式为：
接下来针对步骤104“对所述单独针刺区域中的每一个单胞，确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，并根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能”和步骤106“根据刚度均匀化方法计算得到所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能”同时进行说明。
由于斜纹布铺层和网胎铺层中材料结构不同，在单独针刺之后，纤维偏转特征也不同，因此针对单独针刺区域中的每一个单胞，需要对不同的铺层分别计算对应的偏转角度。
在本发明一个实施例中，所述确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，包括：
将该单胞中的网胎铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0；
将该单胞中的斜纹布铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度通过如下方式计算：
利用第一公式计算得到纤维的面内偏转角度；
所述第一公式为：
其中，α为面内偏转前(x,y,z)坐标位置上的纤维对应的面内偏转角度；
大于Rn；其中，三维坐标轴的原点为针刺圆心点；
利用如下确定方式确定纤维的面外偏转角度：
利用如下第二公式计算纤维面外偏转后(x0,y0,z0)坐标位置上的深度z0；
根据纤维面外偏转后的深度确定面外偏转方向；
对面外偏转方向进行反正切计算，得到纤维的面外偏转角度；
所述第二公式为：
其中，Hd表示纤维偏转深度，Re表示针刺区域半径，Rn表示针刺纤维束半径。
由于网胎铺层内短切纤维分布均匀、取向随机分布，可以认为是一种各向同性材料，因此在单独针刺区域RVEB中，可以将网胎铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0。
而对于斜纹布铺层是由经纱和纬纱搭接而成，因此在单独针刺区域RVEB中斜纹布铺层上的纤维存在面内偏转和面外偏转。其中，面内偏转为纤维偏转后的方向沿径向(z值不变)，面外偏转为纤维沿三维坐标轴的z轴方向偏转。
本发明实施例中，可以针对斜纹布铺层中每一个坐标位置上的纤维，均按照上述第一公式计算纤维的面内偏转角度，以及均按照上述确定方式确定纤维的面外偏转角度。
进一步地，请参考图7，为该单胞的斜纹布铺层的结构，考虑到该斜纹布铺层的结构中存在结构不同的小区域，因此，为了更准确的确定斜纹布复合材料的刚度性能，可以进一步将斜纹布铺层进行区域划分。具体地，在本发明一个实施例中，在所述将该单胞中的斜纹布铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度通过如下方式计算之前，还包括：
将该单胞中的斜纹布铺层划分为纱线搭接区域、经纱单独区域、纬纱单独区域和基体区域；并将所述基体区域中纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0，以及将所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域的面内偏转角度确定为0；
针对所述纱线搭接区域，利用所述第一公式执行所述计算纤维的面内偏转角度；
针对所述纱线搭接区域、所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域，利用所述确定方式执行所述确定纤维的面外偏转角度。
其中，图7中各区域分别为纱线搭接区域(a)、经纱单独区域(b)、纬纱单独区域(b)和基体区域(c)。根据对斜纹布复合材料进行大量微细观结构观测，可知不同坐标位置的纤维均向针刺孔区域方向进行面内偏转和面外偏转。具体地，由于纱线搭接区域(a)存在经纱和纬纱，且针刺位置为纱线搭接区域的中心位置，因此在偏转时存在面内偏转和面外偏转，需要利用上述第一公式和上述确定方式分别确定纱线搭接区域(a)的面内偏转角度和面外偏转角度。而针对经纱单独区域(b)和纬纱单独区域(b)，由于位于单胞边缘，在单独针刺之后，经纱单独区域(b)和纬纱单独区域(b)的纤维均沿三维坐标轴的z轴方向进行偏转，因此需要利用上述确定方式确定经纱单独区域(b)和纬纱单独区域(b)的面外偏转角度，将经纱单独区域(b)和纬纱单独区域(b)的面内偏转角度确定为0。而针对基体区域(c)，由于该基体区域(c)中不包括纤维，因此可以将该基体区域(c)中纤维面内偏转角度、面外偏转角度均确定为0。
在本发明一个实施例中，在针对所述纱线搭接区域、所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域，利用所述确定方式执行所述确定纤维的面外偏转角度时，所述根据纤维面外偏转后的深度确定面外偏转方向，具体包括：
所述纱线搭接区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
所述经纱单独区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
所述纬纱单独区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
其中，
由于纱线搭接区域(a)的纤维在沿径向的基础上又朝面外方向进行偏转，因此，该纱线搭接区域(a)中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
以上针对单独针刺区域中每一个单胞的每一铺层上纤维均确定了面内偏转角度和面外偏转角度。
下面继续根据面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能。
具体地，所述根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能，可以包括如下步骤S1-S4：
S1、确定该单胞中每一铺层上纤维未偏转时对应的刚度矩阵。
本发明实施例中，采用刚度矩阵赋予方式，创建得到纱线搭接区域(a)、经纱单独区域(b)、纬纱单独区域(b)、基体区域(c)和网胎铺层的上纤维未偏转时对应的刚度矩阵：Cxy、Cx、Cy、Csz和Cfelt。
S2、根据该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度/面外偏转角度，确定该单胞中每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦。
S3、根据确定的方向余弦构建转置矩阵；
S4、根据该单胞每一铺层上纤维未偏转时对应的刚度矩阵与构建的对应转置矩阵，计算得到该单胞每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能。
基于上述步骤S2～S4，可以通过如下公式计算该单胞每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能：
[D]＝[D][H]m[T]T
其中，[D]为偏转后的刚度矩阵，[D]m为未偏转时的刚度矩阵，[T]为构建的转置矩阵。[li,mi,ni](i＝1,2,3)为纤维在对应偏转角度下偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦，l1、l2和l3分别代表偏转后三维坐标轴中x2轴分别与x1轴、y1轴和z1轴的方向余弦，m1、m2和m3分别代表偏转后三维坐标轴中y2轴分别与x1轴、y1轴和z1轴的方向余弦，n1、n2和n3分别代表偏转后三维坐标轴中z2轴分别与x1轴、y1轴和z1轴的方向余弦。
在本发明一个实施例中，在S2之前，还可以包括：判断纤维的面内偏转角度/面外偏转角度是否为0，若是，则将纤维未偏转时对应的刚度矩阵确定为纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能；若否，则执行所述确定纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦。
根据上述各区域未偏转时的刚度矩阵，针对面内偏转的纱线搭接区域(a)可以利用上述公式计算得到偏转后的刚度矩阵为Cxy1；针对面外偏转的纱线搭接区域(a)、经纱单独区域(b)、纬纱单独区域(b)可以利用上述公式计算得到偏转后的刚度矩阵Cxy2、Cx1、Cy1，由于基体区域(c)和网胎铺层的上纤维未偏转，刚度矩阵依然为Csz和Cfelt。
需要说明的是，由于纱线搭接区域(a)同时面内偏转和面外偏转，因此，纱线搭接区域(a)偏转后的刚度矩阵可以通过如下三种方式得到：
第一种方式、针对面内偏转和面外偏转分别计算偏转后的刚度矩阵，得到Cxy1和Cxy2，然后将分别计算得到的刚度矩阵Cxy1和Cxy2进行融合得到纱线搭接区域(a)的刚度矩阵Cxy3；
第二种方式、先计算面内偏转的刚度矩阵Cxy1，然后在面内偏转的基础上进行面外偏转，并计算面外偏转的刚度矩阵，得到纱线搭接区域(a)的刚度矩阵Cxy2；
第三种方式、先计算面外偏转的刚度矩阵Cxy1，然后在面外偏转的基础上进行面内偏转，并计算面内偏转的刚度矩阵，得到纱线搭接区域(a)的刚度矩阵Cxy2。
以上计算得到单独针刺区域中一个单胞中每一铺层上各区域的刚度性能，利用刚度均匀化方法可以计算得到单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能。
最后针对步骤108，根据所述非针刺区域、重复针刺区域分别对应的刚度性能以及所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能，确定所述复合材料的刚度性能。
在本实施例中，在试样有限元建模过程中，可以通过设置试样参考点的坐标，可以在模型的不同位置选取试样，模拟试样实际制备过程中的随机取料过程，之后根据建立的材料有限元模型，对这三种RVE单胞区域分别赋予其相应的刚度性能，对其施加周期性边界条件，通过给定相应的载荷工况，计算出材料模型的各等效刚度性能参数。
为验证本发明实施例所提供确定方法的准确性，对三维针刺斜纹布复合材料中的RVEB单胞模型和三维针刺无纬布复合材料中的RVEB单胞模型的应力云图进行了对比，请参考图8和图9，分别为三维针刺斜纹布复合材料中的RVEB单胞模型和三维针刺无纬布复合材料中的RVEB单胞模型的应力云图，通过查看纱线搭接区域的经纱纬纱偏转路径，可以看出赋予的纤维偏转方向符合预期，表明本实施例中定义的偏转角度计算公式可以描述斜纹布中纤维的偏转情况，与无纬布相比具有明显差别。
另外，将三维针刺斜纹布复合材料的试验值和利用本实施例进行的计算值进行比较，得出如表1所示的对比结果：
表1：
可见，本实施例的确定方法可以准确计算出三维针刺斜纹布复合材料的刚度性能，计算值与试验值误差较小。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种针刺斜纹布复合材料的纤维路径确定及性能计算方法，其特征在于，包括：
根据针刺结构将所述复合材料划分为非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域；所述复合材料包括斜纹布铺层和网胎铺层；
分别计算所述非针刺区域和所述重复针刺区域的刚度性能；
对所述单独针刺区域中的每一个单胞，确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，并根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能；
根据刚度均匀化方法计算得到所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能；
根据所述非针刺区域、重复针刺区域分别对应的刚度性能以及所述单独针刺区域中每一个单胞的刚度性能，确定所述复合材料的刚度性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度，包括：
将该单胞中的网胎铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0；
将该单胞中的斜纹布铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度通过如下方式计算：
利用第一公式计算得到纤维的面内偏转角度；
所述第一公式为：
其中，α为面内偏转前(x,y,z)坐标位置上的纤维对应的面内偏转角度；
大于Rn；其中，三维坐标轴的原点为针刺圆心点；
利用如下确定方式确定纤维的面外偏转角度：
利用如下第二公式计算纤维面外偏转后(x0,y0,z0)坐标位置上的深度z0；
根据纤维面外偏转后的深度确定面外偏转方向；
对面外偏转方向进行反正切计算，得到纤维的面外偏转角度；
所述第二公式为：
其中，Hd表示纤维偏转深度，Re表示针刺区域半径，Rn表示针刺纤维束半径。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在所述将该单胞中的斜纹布铺层上纤维的面内偏转角度和面外偏转角度通过如下方式计算之前，还包括：
将该单胞中的斜纹布铺层划分为纱线搭接区域、经纱单独区域、纬纱单独区域和基体区域；并将所述基体区域中纤维的面内偏转角度和面外偏转角度均确定为0，以及将所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域的面内偏转角度确定为0；
针对所述纱线搭接区域，利用所述第一公式执行所述计算纤维的面内偏转角度；
针对所述纱线搭接区域、所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域，利用所述确定方式执行所述确定纤维的面外偏转角度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在针对所述纱线搭接区域、所述经纱单独区域和所述纬纱单独区域，利用所述确定方式执行所述确定纤维的面外偏转角度时，所述根据纤维面外偏转后的深度确定面外偏转方向，包括：
所述纱线搭接区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
所述经纱单独区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
所述纬纱单独区域中纤维面外偏转后对应的面外偏转方向为：
其中，
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述面内偏转角度和所述面外偏转角度分别计算得到该单胞中每一铺层上纤维面内偏转后的刚度性能和面外偏转后的刚度性能，包括：
确定该单胞中每一铺层上纤维未偏转时对应的刚度矩阵；
根据该单胞中每一铺层上纤维的面内偏转角度/面外偏转角度，确定该单胞中每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦；
根据确定的方向余弦构建转置矩阵；
根据该单胞每一铺层上纤维未偏转时对应的刚度矩阵与构建的对应转置矩阵，计算得到该单胞每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述确定该单胞中每一铺层上纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦之前，还包括：
判断纤维的面内偏转角度/面外偏转角度是否为0，若是，则将纤维未偏转时对应的刚度矩阵确定为纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下偏转后的刚度性能；若否，则执行所述确定纤维在该面内偏转角度/面外偏转角度下对应偏转后三维坐标轴与未偏转时三维坐标轴之间的方向余弦。
7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，
所述非针刺区域的刚度性能计算方式，包括：利用Texgen软件和Abaqus有限元软件计算所述非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能；利用Morii–Tanaka随机模型计算所述非针刺区域的网胎铺层的刚度性能；根据所述非针刺区域的斜纹布铺层的刚度性能和所述非针刺区域的网胎铺层的刚度性能，确定所述非针刺区域的刚度性能；
和/或，
所述重复针刺区域的刚度性能计算方式，包括：将所述重复针刺区域的复合材料确定为单向纤维增强材料，并利用用于计算单向纤维增强材料的刚度性能计算公式计算所述重复针刺区域的刚度性能。
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