[發明專利]一種單向碳纖維增強復合材料的設計方法

有效

• 申請號: 201910556300.0
• 申請日: 2019-06-25
• 公開（公告）號: CN110245455B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 齊振超;劉勇;王星;陳文亮;楊景嵐;肖葉鑫;姚晨熙
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京業騰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32321
• 代理人: 鄭婷

本發明涉及一種單向碳纖維增強復合材料(UD?CFRPs)的設計方法，包括以下步驟：步驟1.采用跨尺度有限元法建立UD?CFRPs的力學性能預測模型；步驟2.利用輸入樣本集和結果樣本集，對纖維和基體的各項力學性能參數的靈敏度分析模型進行建模和求解，并采用變參數幅值法對靈敏度指標進行驗證；步驟3.基于步驟2的靈敏度分析模型，設計不同類型的UD?CFRPs。上述技術方案中提供的基于靈敏度分析模型的UD?CFRPs的設計方法，其能有效解決現有設計中存在的忽略纖維和基體作為影響UD?CFRPs力學性能差異的主要因素、一些參數的靈敏度沒有得到分析，導致與實際的參數差異較大以及缺少有效的方法實現靈敏度分析結果的驗證問題。

技術領域

本發明涉及復合材料(CFRPs)設計技術領域，具體涉及一種基于靈敏度分析模型的高性能單向碳纖維增強復合材料(UD-CFRPs)的設計方法。

背景技術

碳纖維增強復合材料(CFRPs)以其重量輕、強度高、模量大、耐疲勞、耐腐蝕等優良性能，在航空航天和各種先進結構中得到了廣泛的應用。單向碳纖維增強復合材料(UD-CFRPs)是CFRPs的基本組成部分，其宏觀力學性能通過大量碳纖維絲束與樹脂基體的結合表現出綜合性能。不同品種纖維和基體材料參數的差異直接影響CFRPs的力學性能。更重要的是，單向CFRPs的機械性能是影響CFRPs整個生命周期的最關鍵指標之一，如優化加工工藝條件，確定層疊設計，評價生產的使用壽命。由于CFRPs通常用于復雜的使用環境，與固化工藝相比，纖維和基體各項力學性能的確定是UD-CFRPs組分結構設計中的一項重要任務。最方便、最直接的方法是分析各參數的影響，即對各參數靈敏度進行分析。靈敏度分析模型一般用于工程中模型的評價和結構優化上，分析參數對系統或模型的影響。

在靈敏度分析方面，學者們對靈敏度分析建模中通常受虛擬材料的假設，主要集中在復合材料力學性能的工藝參數或者纖維分布的影響方法，從而實現對高性能復合材料的設計。然而纖維和基體的材料參數的對復合材料力學性能的影響則被忽略，當考慮到材料性能參數時，則對纖維和基體的力學性能參數又過于理想化假設，導致利用材料參數的靈敏度分析實現高性能復合材料設計的研究不夠深入。

現有對靈敏度分析及基于靈敏度模型實現復合材料高性能設計存在的主要問題有：

(1)在靈敏度分析參數方法方面：雖然加工工藝、纖維分布等參數對復合材料的各項力學性能參數都有較大影響，但是纖維和基體作為影響復合材料力學性能差異的主要因素則被忽略，纖維和基體的參數差異對復合材料的各項力學性能差異的影響起著必不可少的因素。

(2)在靈敏度模型建模方面：雖然有些靈敏度分析模型都考慮到組成成分參數的影響，遺憾的是，由于纖維和基體的材料性質被簡化為各向同性，如泊松比等，一些參數的靈敏度沒有得到分析，導致與實際的實驗參數差異較大。

(3)在靈敏度模型的驗證及材料性能設計方面：現有的靈敏度分析模型對靈敏度系數無法驗證。最主要是靈敏度分析模型需要基于大量的樣本實現，很多研究中的樣本都主要集中在實驗模型，而在實際實驗中的很多參數在修改難度較大。同時還缺少有效的方法實現靈敏度分析結果的驗證。

發明內容

本發明的目的是提供一種單向碳纖維增強復合材料的設計方法，其能有效解決現有對靈敏度分析及基于靈敏度模型實現CFRPs高性能設計，存在的忽略纖維和基體作為影響CFRPs力學性能差異的主要因素、一些參數的靈敏度沒有得到分析，導致與實際的實驗參數差異較大以及缺少有效的方法實現靈敏度分析結果的驗證問題。

為解決上述技術問題，本發明采用了以下技術方案：

一種單向碳纖維增強復合材料的設計方法，包括以下步驟：

步驟1.采用跨尺度有限元法建立UD-CFRPs的力學性能預測模型；

步驟2.利用輸入樣本集和結果樣本集，對纖維和基體的各項力學性能參數的靈敏度分析模型進行建模和求解，并采用變參數幅值法對靈敏度指標進行驗證；