[發明專利]一種針刺C/C復合材料彈性模量計算方法

有效

• 申請號: 201810775959.0
• 申請日: 2018-07-16
• 公開（公告）號: CN109063280B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 張建偉;安培釗
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/16;G01N3/40
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

本發明公開了一種針刺C/C復合材料彈性模量計算方法，屬于復合材料和力學性能測試技術領域。所述方法具體包括步驟：步驟一、建立針刺C/C復合材料彈性模量的修正計算模型；步驟二、分別求得每一纖維束層的剛度矩陣和每一網胎層的剛度矩陣；步驟三、求出一個針刺C/C復合材料復合層的彈性模量；步驟四、分別求出三個針刺C/C復合材料復合層的彈性模量，將三個所述針刺C/C復合材料復合層的彈性模量代入有限元計算模型中，求出針刺C/C復合材料的彈性模量。利用本發明計算方法提高了彈性模量計算結果的準確度，減小了彈性模量計算結果的誤差，具有很高的通用性。

技術領域

本發明屬于復合材料和力學性能測試技術領域，具體涉及一種針刺C/C復合材料彈性模量計算方法，主要應用于針刺C/C復合材料部件的彈性性能分析和預測。

背景技術

針刺C/C復合材料是利用一種特殊結構的預制體作為增強預制體與基體相結合所形成的復合材料。所述增強預制體由纖維組成，具體是通過對交替疊加的纖維束層和網胎層進行接力針刺，依靠接力刺針將纖維束層和網胎層中的單向長纖維打斷并帶至Z向，產生垂直于纖維束層的針刺纖維束，所述針刺纖維束與纖維束層以及網胎層三者互相作用，互相約束，形成在X向、Y向和Z向三個方向上都有一定強度的準三維網絡結構的增強預制體。由于針刺C/C復合材料和三維編織C/C復合材料有相似的優點而且比三維編織C/C材料成本低，制造相對較易，因此其應用價值也較大。目前在國內外針刺C/C復合材料已應用于飛機剎車盤、固體火箭發動機喉襯和擴散段。

現有技術中，對于針刺C/C復合材料彈性模量的計算方法不夠準確，計算過程中所建立的仿真計算模型不夠完善，因此無法準備高效的對于針刺C/C復合材料的彈性模量做出計算，例如利用目前常用的針刺C/C復合材料混合率計算方法，計算結果與實驗過程得出的實驗結果之間的誤差較大，所建立的仿真計算模型的通用性很差，無法準確高效地計算針刺C/C復合材料的彈性模量，這給針刺C/C復合材料的工程實際應用帶來了很大的不便。針刺C/C復合材料混合率計算方法的數學表達式如下所示：

其中E_x和E_y分別為針刺C/C復合材料的縱向和橫向拉伸模量；ν_xy為針刺C/C復合材料的縱向泊松比；G_xy為針刺C/C復合材料的縱向剪切模量；E_f和E_m分別為纖維和基體的拉伸模量；ν_f和ν_m分別為纖維和基體的泊松比；G_f和G_m分別為纖維和基體的剪切模量；c_f為纖維的體積分數。可以看出，利用針刺C/C復合材料混合率計算方法計算針刺C/C復合材料的彈性模量的計算公式中，并沒有考慮針刺C/C復合材料的孔隙率、針刺密度等因素，因此計算結果和實驗結果之間存在較大誤差。可以得知，對于不同工藝制造的針刺C/C復合材料，應用針刺C/C復合材料混合率計算方法得出的計算結果之間的誤差也存在很大波動，因而計算的通用性較低，在實際應用中無法準確高效地計算復合材料部件的彈性性能，不利于針刺C/C復合材料的工程應用。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出一種針刺C/C復合材料彈性模量計算方法，用于計算針刺C/C復合材料的彈性模量。

本發明提供的一種針刺C/C復合材料彈性模量計算方法，具體包括步驟：

步驟一、基于針刺C/C復合材料混合率計算方法，利用Halpin-Tsai計算模型和Gox方程建立針刺C/C復合材料彈性模量的修正計算模型；

步驟二、將針刺C/C復合材料的組分材料性能參數代入所述針刺C/C復合材料彈性模量的修正計算模型，分別計算針刺C/C復合材料中每一纖維束層和每一網胎層的彈性模量，根據彈性模量與柔度矩陣的柔度系數之間的變化關系分別求取每一纖維束層和每一網胎層的柔度矩陣，根據柔度矩陣與剛度矩陣的關系分別求得每一纖維束層的剛度矩陣和每一網胎層的剛度矩陣；