[發明專利]一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法

有效

• 申請號: 201910665696.2
• 申請日: 2019-07-23
• 公開（公告）號: CN110502793B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 牛序銘;宋迎東;靳彧;孫志剛
• 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;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

1.一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)基于有限元法，建立傳統陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件的參數化模型；

(2)利用剛度/柔度平均法計算出復合材料的等效彈性常數；

(3)建立偏軸局部坐標系；

(4)對模型加載求解，提取試驗段的最大軸向應力和最大內剪切應力，以及各節點軸向應力場；具體的：

對建立的傳統試驗件模型施加恒定位移載荷，計算求解后分析試驗件的應力分布，并在試驗件偏軸局部坐標系下提取最大X方向應力σ_x,max、最大面內剪應力τ_xy,max以及試驗段各節點X方向應力；(5)構建應力比較參數處理獲得的應力；

(6)設定優化的約束條件和優化目標，帶入優化程序進行計算，輸出優化結果；具體的：

采用蟻群優化算法對試驗件的參數化分析程序進行優化，首先設置優化參數，為試驗段的長度和試驗段寬度；然后設置優化約束為試驗段軸向應力場均方差小于3MPa，試驗段最大面內剪切應力于平均軸向應力比值小于0.1，最后設置優化目標，為最大軸向應力與平均軸向應力比值r_s最小；然后進行優化計算，得出試驗段長度和寬度的最優解；

(7)優化結果驗證與分析；

將優化后的陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件與傳統試驗件的應力分布結果進行對比，驗證優化效果。

2.根據權利要求1所述的一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，其特征在于：步驟(1)中，通過有限元仿真軟件建立傳統陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件的參數化模型，包括試驗件長度Lx，試驗件寬度Ly，夾持段長度Ljx，試驗段長度Lsx以及試驗段寬度Lsy，這也是最后需要優化的試驗件模型參數。

3.根據權利要求1所述的一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，其特征在于：步驟(2)中，根據復合材料的廣義虎克定律，線性應力-應變關系通過一個本構關系來定義，即：

等應變法；

等應力法；

其中，{σ}為宏觀應力向量，{ε}為宏觀應變向量，為宏觀剛度矩陣，為宏觀柔度矩陣；

單向復合材料是一種正交異性材料，其宏觀剛度矩陣和宏觀柔度矩陣分別通過下式定義：

宏觀剛度矩陣為：

宏觀柔度矩陣為：

柔度矩陣S通過下式的工程彈性常數求出：

其中，C_ij為單元剛度矩陣，S_du為單元柔度矩陣，E_p表示材料的拉伸彈性模量；ν_pq表示材料的泊松比；G_pq表示材料的剪切模量；

在微觀尺度模型中，主坐標方向和主應變方向在全局坐標上與局部坐標方向相同；根據等應變法，等效應力定義為：

其中，表示等效應力，表示第m個構件的剛度矩陣；表示任意構件的應變；△V^(m)表示第m個構件的體積；V表示單元模型的整體體積；n表示構件的數量；

基于等應變假設，微尺度下的平均剛度模型定義為：

C_t＝v_fC_f+v_mC_m+v_cC_c；

其中，C_t表示纖維拖曳的剛度矩陣；v_f表示纖維體積分數；C_f表示纖維的剛度矩陣；v_m表示基體體積分數；C_m表示基體剛度矩陣；v_c表示孔隙的體積分數；C_c表示孔隙的剛度矩陣；v_f，v_m和v_c求和的總和是1；

根據等應力法，纖維束中的等效應變表示為：

式中，表示第m個分量的柔度矩陣；為任意分量的應變，表示任意構件的應力；

根據等應力假設，纖維束在微觀尺度上的等效柔度矩陣定義為：

S'＝v_fS_f+v_mS_m；

其中，S'表示纖維束的等效柔度矩陣，S_f表示纖維的柔度矩陣；S_m表示基體的柔度矩陣；

在獲得等效柔度矩陣S'后，復合材料的等效彈性常數定義為：

其中，E'_p表示材料的等效拉伸彈性模量；v'_pq表示材料的等效泊松比；G'_pq表示材料的等效剪切模量；S'_du表示材料的等效柔度。