CN114912306A - 一种2.5d机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法 - Google Patents

一种2.5d机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法 Download PDF

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CN114912306A CN202210364615.7A CN202210364615A CN114912306A CN 114912306 A CN114912306 A CN 114912306A CN 202210364615 A CN202210364615 A CN 202210364615A CN 114912306 A CN114912306 A CN 114912306A
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陈新文
何玉怀
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Abstract

本发明涉及一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，将单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型危险部位被挖除的区域，并将单胞模型四面各自恰好有一列完整的单元被嵌入宏观模型中，采用嵌入式约束条件将单胞模型与宏观模型重合区域约束到一起，最后根据真实加载条件对模型施加载荷和约束条件，完成多尺度模型的建模；该方法操作简单，计算效率高，适合工程应用，相比宏观有限元建模方法，可模拟2.5D机织复合材料内部微观应力场；相比直接绑定宏观有限元模型和单胞模型的多尺度模型建模方法，可有效降低应力集中，保证变形和力在两个尺度的模型之间有效传递；相比全局模型‑子模型的多尺度模型建模方法，无需二次计算，所需计算成本更低。

Description

一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法
技术领域
本发明属于复合材料虚拟仿真技术领域，涉及一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法。
背景技术
2.5D机织复合材料由于独特的层间联锁结构，克服了传统层板复合材料层间性能薄弱和抗冲击性能差的缺点，而与普通的3D编织复合材料相比，2.5D机织复合材料还具备制备成本低、可设计性强、工艺性好等优点，显著的优点使得2.5D机织复合材料在航空、航天结构中得到越来越广泛的应用。2.5D机织复合材料具有独特的编织结构，比传统的层板复合材料具有更显著的不均匀性，失效模式也更加复杂，因此对2.5D机织复合材料结构失效机理的分析必须基于单胞尺度模型的应力场分析，然而受限于计算成本又不可能对整个宏观结构模型全部采用单胞模型进行模拟，因此建立宏-细观结合的多尺度模型是开展2.5D机织复合材料结构损伤模拟和强度预测的理想技术途径。2.5D机织复合材料多尺度模型的建模思路是在远离结构高应力水平危险区域的部位采用宏观模型模拟，在危险部位采用基于单胞的细观尺度模型模拟，以期在工程应用可承受的计算成本下实现结构局部精细化损伤的预测，获得结构的强度预测值，从而指导结构设计，避免采用试错方法带来的多次迭代。对于多尺度模型的建模来说，保证宏观模型与单胞模型之间边界条件的协调，是保证多尺度模型有效性的关键。
目前最常用的解决方案是全局模型-子模型的建模方法，例如LS-DYNA等软件提供的界面分析(*INTERFACE)这一功能，界面的定义可以是面、线或节点，以指定的频率保存这些界面上的位移和速度历史数据，这些数据可以在后续分析中作为驱动次级计算的边界条件。全局模型-子模型方法的具体实施方法是在宏观模型和子模型上对应位置定义界面，在宏观模型计算过程中，将该界面处的数据按照指定步长保存，根据需要去掉外部载荷或者保留部分外部载荷，或者对载荷进行放大等后，将数据传递到细观尺度的子模型中进行第二次数值计算，这种方法需要进行两次计算分析，操作繁琐，且需要对宏观模型中的界面数据进行技术性操作，以保证全局模型和子模型的匹配，对工程师的经验和技术要求较高，因此这种方法在工程应用方面的便捷性和操作性较差。除了上述常见的全局模型-子模型分析方法外，还有一些研究者对宏观模型精细建模的区域挖除一个与单胞有限元模型体积完全相同大的区域，将单胞模型嵌入宏观模型被挖除的部位后，再利用绑定约束将单胞模型与宏观模型的接触面进行绑定，然而绑定约束的致命缺陷是无法有效保证不同尺度模型之间变形和应力的准确传递，会在宏观模型和单胞模型的接触部位引入显著的应力集中，导致单胞模型内应力场的数值分析结果严重失真。
发明内容
本发明的目的是：提出一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，目的是对2.5D机织复合材料平板结构的强度及微观损伤进行快速、准确地预测。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，所述建模方法通过将单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型危险部位被挖除的区域，并确保单胞模型的四面各自恰好有一列完整的单元被嵌入宏观模型中，采用嵌入式约束条件将单胞模型与宏观模型重合区域约束到一起，实现多尺度模型的建模，具体做法为：
建立结构宏观有限元模型，并根据应力场模拟结果确定需要精细化建模的危险部位，然后建立2.5D机织复合材料的单胞有限元模型并导出input文件，接下来利用单胞模型轮廓投影的方法确定宏观模型上被挖除区域，将单胞模型嵌入宏观模型被挖除的部位，并确保单胞模型前、后、左、右四个面都恰好各有一列完整的单元被嵌入宏观有限元模型中，采用嵌入式约束条件将单胞模型与宏观模型的重合区域约束到一起，最后根据真实加载条件对模型施加载荷和约束条件，完成多尺度模型的建模。
建模方法的包含以下步骤：
步骤一、建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元
在软件中建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型，建模时将2.5D机织复合材料等效为均匀的正交各向异性体，为其设置表征材料宏观力学性能的9个材料工程常数，并对有限元模型进行单元网格划分。根据真实加载工况，为2.5D机织复合材料结构宏观有限元模型设置约束条件和载荷条件，提交数值计算，并根据宏观有限元模型的应力场模拟结果，确定2.5D机织复合材料结构上需要精细化建模的危险部位；
步骤二、建立2.5D机织复合材料的全厚度单胞有限元模型
根据2.5D机织预制体中纱线的编织结构，在软件中建立长方体的2.5D机织树脂基复合材料全厚度的单胞几何模型，设置单元类型为8节点的六面体单元C3D8，设置单胞模型在长、宽、厚这3个方向的单元个数，并设置单胞模型中纱线和基体组分的材料参数，导出包含单胞有限元模型全部信息的input文件；
步骤三、在宏观有限元模型上的危险部位挖除略小于单胞模型的区域
将宏观有限元模型和单胞有限元模型一起导入软件的装配模块下，旋转单胞模型，使单胞模型中经纱延伸方向与宏观有限元模型中材料经向一致，并将单胞有限元模型平移到宏观有限元模型危险应力区域的正上方。根据单胞模型的轮廓，向宏观有限元模型的表面做投影，得到一个单胞模型的轮廓，在这个轮廓形状的基础上，使四个面的轮廓线分别向内平移，平移量取决于单胞模型相应方向的单元尺寸，规则是：使平移后的轮廓线围起来的矩形与原始轮廓线的矩形在每个方向的距离之差恰好等于相应方向单胞有限元模型的一列单元长度，然后以平移轮廓线后得到的矩形为参考，以贯穿厚度的方式在宏观有限元模型上挖除一个长方体，该挖除的长方体以平移轮廓线后得到的矩形为底面，以宏观有限元模型的厚度为高度。然后，将单胞模型再次向下平移并嵌入这个被挖除的区域，使单胞模型与之前的投影轮廓线所围区域恰好重合。
步骤四、建立单胞有限元模型和宏观有限元模型之间的约束
选定2.5D机织复合材料单胞模型四面分别嵌入复合材料结构宏观有限元模型中的一列单元，利用软件的嵌入式约束(embedded region)功能，将其约束于宏观有限元模型的单元网格中，得到2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型；
步骤五、根据真实加载工况设置多尺度有限元模型的约束和载荷条件
根据真实加载工况，对组合得到的2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型设置与第一步的宏观有限元模型完全相同的约束和载荷条件，在软件中设置数值计算参数，对多尺度模型提交计算；
步骤六、单胞有限元模型应力场的提取与分析
从多尺度模型应力场的数值计算结果中调取其中内嵌的单胞有限元模型中的结果，可获得单胞有限元模型中纱线、基体组分的应力分布和应力水平，进一步结合纱线和基体的强度参数可预测2.5D机织复合材料的微观损伤。
步骤一所述宏观有限元模型采用商用CAE软件
Figure BDA0003586533090000041
建立。
步骤二所述单胞有限元模型采用专用的单胞模型建模软件
Figure BDA0003586533090000042
建立。
步骤三的操作，可保证单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型后，单胞模型前、后、左、右四个面都恰好各有一列完整的单元被完全嵌入2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型中。若按照单胞模型的尺寸，在宏观有限元模型上挖除一个与单胞模型尺寸完全相同的区域，将单胞模型嵌入这个区域时，只能将单胞模型与宏观有限元模型的接触面绑定，这将造成非常显著的应力集中，无法保证力和变形在两个尺度的模型之间准确传递。若挖出的区域过小，导致有二列及以上完整的单元被完全嵌入2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型中，会造成宏观模型局部刚度被过度加强，导致模拟与真实结构的刚度偏差较大。
步骤五所述多尺度模型数值计算采用
Figure BDA0003586533090000051
软件。
该建模方法适用于静态载荷作用下的2.5D机织复合材料结构多尺度模型的建立，适用于2.5D机织复合材料平板结构。
所述2.5D机织复合材料以环氧树脂、双马树脂等聚合物为基体。
所述2.5D机织复合材料平板结构采用碳纤维纱线机织得到的预制体制备。
本发明的有益效果是：
本发明方法的核心是在2.5D机织复合材料平板结构宏观有限元模型的需要精细化建模的(呈现高应力水平)危险部位挖除一个略小于单胞模型尺寸的区域，挖除的区域在前、后、左、右四个方向均比单胞模型小一个相应方向单元的尺寸，然后将一个全厚度的2.5D机织复合材料单胞模型嵌入宏观模型被挖除的部位，保证全厚度单胞模型在前、后、左、右四个面都恰好各有一列完整的单元被嵌入结构的宏观有限元模型中，并利用
Figure BDA0003586533090000052
软件的嵌入式约束(embedded region)功能，将单胞模型完全被嵌入结构宏观有限元模型中的单元约束于宏观有限元模型的单元网格中，组合得到2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型。目的是对2.5D机织复合材料结构的损伤与强度进行快速、准确地预测。具有以下优点：
(1)准确预测大型2.5D机织复合材料平板结构在危险部位的损伤，指导设计师确定结构的许用值及进行结构的失效预测，以便对结构进行设计优化；
(2)较之传统的需要开展两次计算的全局模型-子模型方法，本发明所述方法建立的多尺度模型只需要开展一次数值计算，并且无需设置全局模型和子模型之间的传递界面，对工程师的经验和仿真技巧具有较低的要求，具有简单、快捷、便于工程应用等优点；
(3)较之将宏观模型上挖除等尺寸的单胞区域再嵌入单胞模型，并将单胞模型和宏观模型的接触面直接绑定的多尺度模型建模方法，所述方法可有效消除不同尺度模型连接部位的应力集中，可实现宏观模型的力和变形向单胞模型的有效传递，可获得更准确、更真实的单胞模型应力预测结果。
(4)所述方法具有通用性和拓展性，适用于任何结构形式的2.5D机织复合材料结构的多尺度建模过程，同时该方法还可以拓展到其它复杂工况条件下2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模。
附图说明
图1为2.5D机织复合材料V型缺口梁试验件的尺寸；
图2为V型缺口梁的宏观有限元模型；
图3为V型缺口梁宏观有限元模型面内剪切应力S12的应力云图；
图4为单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型的技术方案；
图5为嵌入V型缺口梁上缺口根部的单胞模型中6个应力分量的应力场云图，其中，5-1为单胞模型在材料坐标系1方向的正应力S11的应力场云图，5-2为单胞模型在材料坐标系2方向的正应力S22的应力场云图，5-3为单胞模型在材料坐标系3方向的正应力S33的应力场云图，5-4为单胞模型在材料坐标系12面内剪切应力S12的应力场云图，5-5为单胞模型在材料坐标系13面内剪切应力S13的应力场云图，5-6为单胞模型在材料坐标系23面内的剪切应力S23的应力场云图。
图6为单胞模型中纱线的S11应力场和S22应力云图；
图7为采用本发明方法和传统方法模拟得到的单胞模型的面内剪切应力S12的应力场云图；
图8为采用本发明和传统方法模拟得到的单胞模型中基体中Mises应力场云图；
附图标记：
1为2.5D机织复合材料V型缺口梁宏观有限元模型；
2为2.5D机织复合材料的单胞有限元模型；
3为单胞有限元模型向宏观有限元模型做投影的投影轮廓线；
4为宏观模型上两个V型槽根部处被挖除的区域；
5为投影轮廓线放大图；
6为向内平移后的轮廓线放大图；
7为单胞有限元模型的和宏观有限元模型组合得到的多尺度模型；
8为单胞模型前、后、左、右四面分别被嵌入宏观有限元模型的一列单元；
9为嵌入宏观有限元模型网格中的单元网格放大图。
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。在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。以下将结合2.5D机织复合材料V型缺口梁在剪切载荷作用下的多尺度建模和数值模拟的实施例对本发明技术方案作进一步地详述。具体分三部分论述本发明的建模方法。
一、V型缺口梁结构和材料的描述
1、2.5D机织复合材料V型缺口梁的构型和尺度
2.5D机织复合材料V型缺口梁的构型和尺寸如图1。图1中的尺寸参数如下：(长度)L＝76mm，(宽度)W＝19mm，(两个V型缺口之间的距离)W1＝11.4mm，(V型缺口的角度)θ＝90°。2.5D机织复合材料V型缺口梁的厚度为4mm。
2、2.5D机织复合材料的材料参数
2.5D机织复合材料的预制体由接结经纱、衬经纱、纬纱组成，纱线的规格均为T800-6k*2合股，编织结构的参数见下表1。纱线中T800碳纤维是一种横观各向同性材料，定义材料力学性能所需的全部6个工程常数为：(纤维纵向的弹性模量)Ef＝295GPa，(纤维横向的模量)Et＝10GPa，(纤维纵横剪切模量)Gft＝5GPa，(纤维横向剪切模量)Gtt＝5GPa，(纤维纵横泊松比)vft＝0.3，(纤维横向泊松比)vtt＝0.4。。2.5D机织复合材料的基体采用EC230R，弹性模量为Em＝4.5GPa，泊松比vm＝0.3，拉伸强度σm为119MPa。纱线的纵向拉伸强度Xf＝1900MPa，纱线横向是由基体粘结，纱线横向拉伸强度Yf在数值上等于基体拉伸强度，即Yf＝119MPa。
表1 2.5D机织复合材料的预制体的编织参数
Figure BDA0003586533090000081
2.5D机织复合材料宏观尺度上可以被简化为一种均匀的正交各向异性材料，表征其宏观尺度上基本力学性能的9个工程常数如下：(经纱方向模量)E1＝66.1GPa，(纬纱方向模量)E2＝59.2GPa，(厚度方向模量)E3＝8.11GPa，(面内纵横剪切模量)G12＝4.84GPa，(层间剪切模量)G13＝2.88GPa，(面内横向剪切模量)G23＝3.23GPa，(纵横泊松比)v12＝0.085，(纵厚泊松比)v13＝0.51，(横厚泊松比)v23＝0.42。
二、剪切载荷作用下V型缺口梁多尺度建模方法
下面将对上一节描述的2.5D机织复合材料V型缺口梁结构在剪切载荷作用下的情形建立多尺度模型，开展数值模拟，获得单胞模型内经纱和基体的应力场。
步骤一、建立2.5D机织复合材料V型缺口梁的宏观有限元
采用商业CAE软件
Figure BDA0003586533090000082
建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型，如图1所示。建模时将2.5D机织复合材料等效为均匀的正交各向异性体，为其设置表征材料宏观力学性能的9个材料工程常数(E1、E2、E3、G12、G13、G23、ν12、ν13、ν23)的值，并对有限元模型进行单元网格划分。根据真实的加载工况，对2.5D机织复合材料结构宏观有限元模型设置合理的约束条件和载荷条件。对于本实施例的情形，相对图2中坐标系来看，对V型缺口梁宏观有限元模型从左侧端面的上、下边线分别沿X轴向右延伸30mm范围内的有限元模型的上、下表面的施加固支约束，即约束其3个平动自由度和3个转动自由度。而对V型缺口梁宏观有限元模型从右侧端面的上、下边线分别沿X轴反向向左延伸30mm范围内的有限元模型的上、下表面约束3个转动自由度，以及X向和Z向的平动自由度，但为其设置一个沿Y方向的数值为6mm的位移。提交数值计算，获得整个宏观有限元模型中的应力场。在本实施例中，V型缺口梁之间的面内剪切是最显著的，为此图2展示了面内剪切应力(S12)的应力场云图，可见在两个V型槽根部处的应力水平最高，说明两个V型缺口的根部区域是危险部位，需要对其进行精细化建模，即采用单胞有限元模型来模拟。
步骤二、建立2.5D机织复合材料的全厚度单胞有限元模型
根据2.5D机织预制体中纱线的编织结构，采用专用的编织复合材料建模软件
Figure BDA0003586533090000091
建立2.5D机织复合材料的单胞有限元模型，单胞模型的尺寸为3.334(经纱方向)mm×5mm(纬纱方向×4mm(厚度方向)。设置单胞有限元模型的单元类型为C3D8，设置单胞模型在经、纬、厚这3个方向的单元数量分别为100个。设置单胞模型中纱线的材料参数和基体组分的材料参数具体的材料参数值见实施例关于材料力学性能参数的描述。从
Figure BDA0003586533090000092
软件中导出包含单胞有限元模型全部信息的input文件，然后在
Figure BDA0003586533090000093
软件中导入该input文件，从而将2.5D机织复合材料的单胞有限元模型导入
Figure BDA0003586533090000094
软件中。
步骤三、在宏观有限元模型上的危险部位挖除略小于单胞模型轮廓的区域
单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型的技术方案见图4，将宏观有限元模型1和2个单胞有限元模型2一起导入
Figure BDA0003586533090000095
软件的装配模块下，旋转这两个单胞模型，使两个单胞模型中经纱延伸方向与V型缺口梁宏观有限元模型中材料经向一致，并将两个单胞有限元模型分别平移到宏观有限元模型两个V型缺口根部附近区域的正上方。
然后，对两个单胞下方区域进行如下操作，以确定宏观有限元模型在V型缺口根部被挖除的区域。根据单胞模型的轮廓，向宏观有限元模型的表面做投影，得到单胞模型的轮廓线3，在上述单胞模型轮廓线的基础上，使轮廓的四个边分别向内平移得到偏移后的轮廓线4，平移量取决于单胞模型相应方向的单元尺寸，规则是：使平移后的轮廓线4围起来的矩形与原始轮廓线的矩形在每个方向的距离之差恰好等于相应方向单胞有限元模型的一列单元长度，然后以平移轮廓线后得到的矩形为参考，以贯穿厚度的方式在宏观有限元模型上挖除一个长方体，该挖除的长方体以平移轮廓线后得到的矩形为底面，以宏观有限元模型的厚度为高度。
接下来，对两个单胞模型进行如下向宏观有限元模型嵌入的操作：单胞模型再次向下平移并嵌入下方宏观模型被挖除的区域，使单胞模型与之前的投影轮廓线3所围区域恰好重合。通过上述操作，可保证单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型后，单胞模型前、后、左、右四个面都恰好各有一列完整的单元8被完全嵌入2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型中。若按照单胞模型的尺寸，在宏观有限元模型上挖除一个与单胞模型尺寸完全相同的区域，将单胞模型嵌入这个区域时，只能将单胞模型与宏观有限元模型的接触面绑定，这将造成非常显著的应力集中，无法保证力和变形在两个尺度的模型之间准确传递。若挖出的区域过小，导致有二列及以上完整的单元被完全嵌入2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型中，会造成宏观模型局部刚度被过度加强，导致模拟与真实结构的刚度偏差较大。
最后，对宏观模型重新进行网格划分，保证宏观模型1中与单胞模型2重合的区域具有相近的单元网格尺寸。
步骤四、建立单胞有限元模型和宏观有限元模型之间的约束
选定2.5D机织复合材料单胞模型四面分别嵌入复合材料结构宏观有限元模型中的一列单元8，利用
Figure BDA0003586533090000101
软件软件的嵌入式约束(embedded region)功能，将上述单元(放大图见图4中9)约束于宏观有限元模型的单元网格中，得到2.5D机织复合材料V型缺口梁的多尺度模型7；
步骤五、设置V型缺口梁多尺度有限元模型的约束和载荷条件
根据真实加载工况，对2.5D机织复合材料V型缺口梁的多尺度模型7设置与第一步的V型缺口梁宏观有限元模型完全相同的约束和载荷条件，在
Figure BDA0003586533090000111
软件中设置数值计算参数，对多尺度模型提交计算。
步骤六、单胞有限元模型应力场的提取与分析
从2.5D机织复合材料V型缺口梁多尺度模型应力场的数值计算结果中调取其中内嵌的单胞有限元模型中的结果，可获得单胞有限元模型中纱线、基体组分的应力分布和应力水平。进一步结合纱线和基体的强度参数可预测2.5D机织复合材料的微观损伤。
三、剪切载荷作用下V型缺口梁的多尺度模拟结果
基于
Figure BDA0003586533090000112
软件中对上述V缺口梁多尺度模型剪切加载的数值计算结果，调取多尺度模型中单胞有限元模型的应力场模拟结果。对本实例的情形，由于两个V型缺口梁中上、下两个缺口对称分布，因此这两个V型缺口根部内嵌的单胞有限元模型中的应力场相同，因此仅展示了嵌入V型缺口梁上缺口根部处的单胞有限元模型中应力场云图，如图5所示。图5中6个子图按照序号逐渐增加的顺序，分别展示了单胞中的6个应力分量(S11、S22、S33、S12、S13、S23)的应力场云图，从中可以看出清晰的看出纱线和基体应力分布的差异，这种细节信息是宏观有限元模型无法给出的模拟结果，因为图3所示的宏观有限元模型计算得到的应力场，仅能给出结构宏观上的应力分布和应力水平，无法给出能反映纱线和基体微观特征的应力分布。
另外，根据单胞有限元模型中展示的纱线和基体各自的应力场，结合纱线和基体组分各自的强度参数，利用恰当的纱线和基体的失效准则，可进一步预测2.5D机织复合材料单胞内纱线、基体组分的损伤状态。在本2.5D机织复合材料V型缺口梁剪切加载的实施例中，采用最大应力准则预测纱线的纵、横向拉伸损伤，图6中6-1和6-2分别展示了单胞模型中纱线的S11应力场和S22应力场，在云图显示中令S11超过纱线纵向拉伸强度Xf(1900MPa)的区域显示为灰色，令S22超过纱线横向拉伸强度Yf(119MPa)的区域显示为灰色，可见单胞模型中纱线许多部分发生了损伤。进一步，分离单胞模型中基体组分的应力场，采用Mises应力超过基体拉伸强度时基体损伤的失效准则。图6-3展示了基体的Mises应力场的云图，在云图显示中令Mises应力超过基体拉伸强度σm(119MPa)的区域显示为灰色，可见所有基体部分均显示为灰色，说明所有单胞内的基体全部失效。
为了展示本发明方法的效果，同时采用传统的、切除一个等体积单胞区域后绑定单胞模型和宏观模型接触面的方法针对实施例也进行了模拟仿真。
图7中7-1和图7-2分别展示了采用本发明方法和传统方法模拟得到的单胞模型的面内剪切应力S12的应力场云图。
图8中8-1和图8-2分别展示了采用本发明和传统方法模拟得到的单胞模型中基体中Mises应力场云图。
可见采用传统建模方法的多尺度模拟预测得到的应力场在单胞模型4个被绑定的面上本不该有较大应力值的基体部分也呈现显著的应力水平，说明传统建模方法将引入虚假的应力集中，而采用本发明的多尺度模型建模方法，单胞模型与宏观模型相连接的四个面上仅在纱线部分有较大应力，基体部分无明显应力，应力场云图更纯粹、平滑，说明宏观模型与单胞模型很好地融为一体，变形和应力场可以从宏观模型被有效地传递到单胞模型中。
综上可知，传统的、切除一个等体积单胞区域后绑定单胞模型和宏观模型接触面的方法，将在内嵌单胞模型与宏观有限元模型接触面上引入非常显著的应力集中，这种应力集中是不合理的仿真结果，因为这种应力集中是有限元模型在几何上的不连续导致的，真实结构上并不存在这种几何上的不连续。可见，本发明所述的2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型建模方法相比传统方法，能消除两个尺度模型不连续所带来的应力集中，具有非常好的模拟效果。
针对本实施例，未开展与全局模型-子模型的多尺度模型建模方法的对比，全局模型-子模型方法在正确实施的情形下模拟精度是有保证的，但是该方法需要进行两次数值计算和复杂的参数设置，计算成本将是本发明所述方法的2倍以上，因此发明所述的2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型建模方法在计算效率和操作难度方面优于全局模型-子模型方法。

Claims (9)

1.一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，其特征在于：所述建模方法通过将单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型危险部位被挖除的区域，并确保单胞模型的四面各自恰好有一列完整的单元被嵌入宏观模型中，采用嵌入式约束条件将单胞模型与宏观模型重合区域约束到一起，实现多尺度模型的建模，包含以下步骤：
步骤一、建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元
建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型，建模时将2.5D机织复合材料等效为均匀的正交各向异性体，为其设置表征材料宏观力学性能的9个材料工程常数，并对有限元模型进行单元网格划分。根据真实加载工况，为2.5D机织复合材料结构宏观有限元模型设置约束条件和载荷条件，提交数值计算，并根据宏观有限元模型的应力场模拟结果，确定2.5D机织复合材料结构上需要精细化建模的危险部位；
步骤二、建立2.5D机织复合材料的全厚度单胞有限元模型
根据2.5D机织预制体中纱线的编织结构，建立长方体的2.5D机织树脂基复合材料全厚度的单胞几何模型，设置单元类型为8节点的六面体单元C3D8，设置单胞模型在长、宽、厚这3个方向的单元个数，并设置单胞模型中纱线和基体组分的材料参数，导出包含单胞有限元模型全部信息的input文件；
步骤三、在宏观有限元模型上的危险部位挖除略小于单胞模型的区域
将宏观有限元模型和单胞有限元模型一起导入软件中，旋转单胞模型，使单胞模型中经纱延伸方向与宏观有限元模型中材料经向一致，并将单胞有限元模型平移到宏观有限元模型危险应力区域的正上方。根据单胞模型的轮廓，向宏观有限元模型的表面做投影，得到一个单胞模型的轮廓，在这个轮廓形状的基础上，使四个面的轮廓线分别向内平移，平移量取决于单胞模型相应方向的单元尺寸，规则是：使平移后的轮廓线围起来的矩形与原始轮廓线的矩形在每个方向的距离之差恰好等于相应方向单胞有限元模型的一列单元长度，然后以平移轮廓线后得到的矩形为参考，以贯穿厚度的方式在宏观有限元模型上挖除一个长方体，该挖除的长方体以平移轮廓线后得到的矩形为底面，以宏观有限元模型的厚度为高度。然后，将单胞模型再次向下平移并嵌入这个被挖除的区域，使单胞模型与之前的投影轮廓线所围区域恰好重合。
步骤四、建立单胞有限元模型和宏观有限元模型之间的约束
选定2.5D机织复合材料单胞模型四面分别嵌入复合材料结构宏观有限元模型中的一列单元，利用软件的嵌入式约束功能，将其约束于宏观有限元模型的单元网格中，得到2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型；
步骤五、根据真实加载工况设置多尺度有限元模型的约束和载荷条件
根据真实加载工况，对组合得到的2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型设置与第一步的宏观有限元模型完全相同的约束和载荷条件，设置数值计算参数，对多尺度模型提交计算；
步骤六、单胞有限元模型应力场的提取与分析
从多尺度模型应力场的数值计算结果中调取其中内嵌的单胞有限元模型中的结果，可获得单胞有限元模型中纱线、基体组分的应力分布和应力水平。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤一所述宏观有限元模型采用商用CAE软件
Figure FDA0003586533080000021
建立。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤二所述单胞有限元模型采用专用的单胞模型建模软件
Figure FDA0003586533080000022
建立。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤三所述单胞模型前、后、左、右四个面都恰好各有一列完整的单元被完全嵌入2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型中。
5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤五所述多尺度模型数值计算采用
Figure FDA0003586533080000023
软件。
6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：该建模方法适用于静态载荷作用下的2.5D机织复合材料结构多尺度模型的建立。
7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述2.5D机织复合材料以环氧树脂、双马树脂等聚合物为基体。
8.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述2.5D机织复合材料平板结构采用碳纤维纱线机织得到的预制体制备。
9.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：该建模方法适用于2.5D机织复合材料平板结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116976127A (zh) * 2023-08-02 2023-10-31 南京航空航天大学 一种3d机织复合材料参数化建模的方法

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