[發(fā)明專利]纖維增強復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410091284.X
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103871059B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高希光;宋迎東;羅漂洋
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所32237
• 代理人: 賀翔

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種纖維增強復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計算方法，其屬于復(fù)合材料靜力學(xué)性能參數(shù)計算技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

纖維增強復(fù)合材料具有高比剛度、比強度的特點，還可在極高溫度環(huán)境下作為結(jié)構(gòu)材料，是航空航天、軍事、新能源、汽車等領(lǐng)域的重要材料。纖維增強復(fù)合材料分為單向、二維編織、2.5維、三維正交、三維四向等復(fù)合材料。不管何種構(gòu)型的復(fù)合材料，當(dāng)施加低速靜態(tài)載荷時，應(yīng)力應(yīng)變曲線一般包含線性段和非線性段。在線彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率為復(fù)合材料的等效彈性模量。快速準(zhǔn)確的計算復(fù)合材料的彈性參數(shù)，對于評價復(fù)合材料的靜力學(xué)性能以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的實際應(yīng)用價值。

目前，確定纖維增強復(fù)合材料的等效彈性參數(shù)的方法有實驗法、解析法和數(shù)值法。實驗法是按照ASTM（American?Society?of?Testing?Materials）等試驗標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行靜態(tài)加載試驗，從得到的試驗曲線上直接計算出相應(yīng)的等效彈性參數(shù)。實驗法需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行試驗，記錄響應(yīng)曲線，操作過程比較繁瑣。此外，纖維增強復(fù)合材料一般為非各向同性材料，根據(jù)復(fù)合材料類型的不同，其獨立的彈性參數(shù)可能為5個或9個，很難通過實驗的方法測得所有的彈性參數(shù)。

解析法只能計算種類非常有限的結(jié)構(gòu)非常規(guī)則的復(fù)合材料彈性模量，不能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料等效彈性模量計算。目前普遍采用數(shù)值法來計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的等效彈性模量。該方法基于均勻化理論，假設(shè)復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)具有周期性，采用單胞模型來模擬復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)，對模型施加周期性邊界條件，計算出單胞的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，結(jié)合單胞的原始尺寸最后計算出等效彈性模量（見博士學(xué)位論文：陶瓷基復(fù)合材料損傷耦合的宏細觀統(tǒng)一本構(gòu)模型研究，作者：高希光，導(dǎo)師：宋迎東，南京航空航天大學(xué)，2007年）。但是，由于工藝上的限制，基體內(nèi)部通常存在分布不均勻的孔洞，且增強纖維也不可能是均勻分布的。而孔洞和纖維的分布對材料等效彈性模量的影響較大。基于周期性單胞模型很難考慮這些影響因素，因此上述所說的數(shù)值法在彈性參數(shù)預(yù)測時與實驗值存在著很大的偏差。

因此，確有必要對現(xiàn)有技術(shù)進行改進以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明提供一種纖維增強復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計算方法，適用于各種纖維增強復(fù)合材料的等效彈性參數(shù)計算，充分考慮了纖維和孔隙分布不均勻的影響，計算精度高。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種纖維增強復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計算方法，其包括如下步驟：

步驟1：將試件樣品進行XCT掃描，獲得逐層的灰度圖像序列；

步驟2：假設(shè)試件斷層掃描圖片序列一共有M幅圖片，每幅圖片的像素尺寸為寬W像素、高H像素，每個像素的灰度范圍是0-255，其中采用(j,i,k)（k=0，1，2～M-1；i=0,1,2～H-1；j=0,1,2～W-1）來表示第k+1幅圖片，第i+1行，第j+1列像素，將試件斷層掃描圖片序列讀入內(nèi)存，建立像素的灰度數(shù)組color[]，數(shù)組中的元素color[W*H*k+W*i+j]表示像素(j,i,k)的灰度值；

步驟3：確定基體、碳纖維和孔隙的參考灰度值colorM、colorF和colorV，理論上，孔隙的灰度值為0，基體和碳纖維的灰度值分別開展XCT實驗，獲得純基體和純碳纖維的灰度值，且實驗參數(shù)與試件掃描時的參數(shù)相同，純基體和純碳纖維試件采用反應(yīng)燒結(jié)SiC板和碳纖維布，碳纖維布用樹脂固定；

步驟4：創(chuàng)建單元陣列，其通過一個像素代表一個三維8節(jié)點正方體單元，按照步驟2的設(shè)定，創(chuàng)建的單元陣列的長、寬和高分別包含W、H和M個單元；

步驟5：確定單元的彈性參數(shù)，已知碳纖維和基體的彈性張量分別為和其中f和m分別表示纖維和基體，i,j,k,l=1,2,3，孔洞的彈性張量設(shè)定為一個接近零而不為零的數(shù)值；

采用線性插值函數(shù)來計算單元(j,i,k)的彈性張量，假設(shè)co=color[W*H*k+W*i+j]，在纖維束區(qū)域，如果colorV<co<=colorF，則單元(j,i,k)的彈性張量