[發(fā)明專利]一種多尺度計算復雜復合材料結構等效剛度矩陣的方法

有效

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• 申請日: 2016-05-31
• 公開（公告）號: CN107451307B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設計）人: 張銳;文立華;湯澤煒;盧穎
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發(fā)明提出一種多尺度計算復雜復合材料結構等效剛度矩陣的方法，采用尺度分離的方法，將宏觀、細觀、微觀三尺度結構分離，根據不同尺度模型的幾何特征，分別建立各個尺度分析模型；將三尺度問題轉化為兩個多尺度問題：宏觀?細觀多尺度問題、細觀?微觀多尺度問題，依次對著兩個多尺度問題進行分析，將微觀多尺度問題得到的等效模量最終返回給宏觀多尺度問題。克服了傳統(tǒng)結構分析方法計算效率低、精度差的缺點，有效提升了復合材料結構性能預測的效率和精度，使其可以用于指導復合材料的生產、研發(fā)等工作。本發(fā)明可應用于航空航天領域復雜復合材料結構設計、分析，以及其他復合材料工程領域的結構設計熱、力學分析問題。

技術領域

本發(fā)明涉及復合材料設計領域，是一種復雜復合材料結構分析設計方法，具體為一種多尺度計算復雜復合材料結構等效剛度矩陣的方法。

背景技術

復合材料由于質量輕、強度高、具有較強的可設計性等特點，廣泛應用與航空航天的結構器件中。而由于復合材料結構復雜，為了研究復合材料的性能，提升復合材料結構件的使用效率，近百年來，國內外學者提出了大量用以預測復合材料行為的理論。其核心是通過求解控制方程，從而確定結構內部位移、溫度等物理量的分布，從而完成對材料性能的預測。

目前，復合材料材料性能預測方法主要分為四類：

第一類是解析法，其代表的方法有：稀疏法、Mori-Tanaka方法、自洽方法、廣義自洽法。該類方法通過求解無限大基體內單夾雜或多夾雜問題，得到遠場應變與單個夾雜平均應變之間關系，從而得到材料的有效模量。這種方法理論較為簡單，但由于實際復合材料存在一定的邊界，邊界效應會使得計算結果產生一定的誤差，此外，部分解析方法只適用于結構簡單，體積分數較低的復合材料，這使得這類方法在復合材料性能預測上存在一定的局限。

第二類是半解析法，其代表的方法為變換場分析法。該方法在細觀采用顯式的本構關系來聯(lián)系宏觀與細觀場，該方法需要給定均勻化與局部化的規(guī)則，對于多相材料以及非線性的非均勻材料，該方法等效本構關系所需要的內部變量會非常多，限制了該方法的應用。

第三類是數值方法，其代表的方法為數值均勻化方法，該方法將復合材料轉化為一個多尺度分析問題，通過局部化和均勻化的方法，建立宏觀積分點與細觀體積代表單元之間的聯(lián)系，從而完成材料性能的預測，與解析法相比，該方法的計算量較小，并且由于在計算時考慮到材料的細觀形貌，因此計算精度較高。

然而現有的多尺度方法僅考慮了兩尺度的信息，由于大多數復合材料采用鋪層的形式，材料的細觀尺度并非纖維與基體簡單的組合形式，而是多種纖維與基體的組合，纖維的鋪層角，每次纖維的排布形式都會很大程度的影響宏觀材料的性能。此外，大多數多尺度分析軟件用戶開發(fā)由國外航空航天科研機構開發(fā)，由于種種原因這些軟件都沒有對外公開，并且大多數用于學術研究的程序因精度、計算代價等問題，限制了其在工程領域內的應用。

發(fā)明內容

為了避免現有技術的不足之處，本發(fā)明提出了一種多尺度計算復雜復合材料結構等效剛度矩陣的方法，在方法中采用了復合材料結構分析的三尺度模型，由于該方法考慮了細觀、微觀結構，從而使得宏觀結果計算精度得以提升；此外，該方法通過商業(yè)有限元軟件ABAQUS的二次開發(fā)實現，從而增加了其通用性，使其能夠更好地解決大規(guī)模的工程問題。

本發(fā)明的技術方案為：

所述一種多尺度計算復雜復合材料結構等效剛度矩陣的方法，其特征在于：包括以下步驟：