[發明專利]一種陶瓷基復合材料超單元結構數值仿真計算方法

在審

• 申請號: 202010875363.5
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112100762A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 高希光;董成乾;宋迎東;張盛;董洪年;劉晨陽
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

一種陶瓷基復合材料超單元結構數值仿真計算方法，包括如下步驟：步驟一、對結構進行超單元網格劃分；步驟二、根據超單元的應變場計算超單元內部不同方向各個單胞的應變場；步驟三、根據單胞模型的材料參數計算出在此應變狀態下的單胞的剛度矩陣；步驟四、根據復合材料剛度矩陣轉角公式計算出超單元內部所有單胞在超單元坐標系下的剛度矩陣，再按體積平均法計算出超單元的剛度矩陣；步驟五、基于漸進損傷方法進行有限元數值仿真計算。本發明考慮了結構單胞尺度的細觀結構，可以計算陶瓷基復合材料鋪層不平行的情況，突破了現有方法無法對此類情況進行計算的技術瓶頸。

技術領域

本發明屬于復合材料有限元數值仿真計算領域，具體涉及一種用超單元劃分網格并進行數值仿真計算的方法。

背景技術

陶瓷基復合材料(CMCs)先由纖維絲組成纖維束，纖維束編織成預制體，最后經基體沉積，表現為典型的各向異性非線性材料。當今對陶瓷基復合材料結構進行有限元數值仿真計算時，均簡化為宏觀均勻的各向異性材料，不考慮結構的細觀結構。

一些學者通過力學試驗來獲取陶瓷基復合材料的彈性參數，將其作為結構在有限元模型中的單元材料屬性，如文獻[王姣,王成華,楊陽，等.C/SiC復合材料軸套漸進損傷分析[J].強度與環境,2016,43(05):30-37][盧子興,廖強,楊振宇，等.C/SiC復合材料螺栓螺牙承載能力[J].復合材料學報,2015,32(01):182-187]。這種做法認為CMCs結構是宏觀均勻的，即各處材料性能相同，沒有考慮結構的細觀結構。

另一部分學者建立CMCs的單胞模型，基于細觀力學方法計算出單胞模型的彈性參數，在進行結構件的有限元仿真計算時將單胞的彈性參數作為單元的材料屬性，如文獻[張盛.編織陶瓷基復合材料力學行為的多尺度分析[D].南京:南京航空航天大學，2018][楊福樹.2.5維編織陶瓷基復合材料疲勞行為研究[D].南京:南京航空航天大學,2011]。該方法只是通過細觀力學方法得到材料彈性參數，實際進行結構的有限元計算時仍簡化為宏觀均勻的各向異性材料，沒有考慮結構實際的細觀結構。這兩種方法在有限元仿真計算時都是將材料簡化為宏觀均勻的各向異性材料，區別在于得到有限元網格材料參數的途徑不同。

當今的技術水平可以通過高精度儀器和先進測量技術繪制出結構件的細觀尺度模型，例如基于同步輻射光源和微焦點XCT三維重構技術建立三維模型，如文獻[于國強.陶瓷基纖維束復合材料各向異性力學模型與結構失效模擬[D].南京:南京航空航天大學，2020]，但目前還沒有考慮細觀結構進行有限元仿真計算的研究。現有的方法都將材料簡化為宏觀均勻的各向異性材料，沒有考慮結構的細觀模型，必然會存在一定的誤差，考慮細觀結構進行有限元計算是必然的發展趨勢。

現有方法只能計算結構件鋪層平行規整的情況，只有當各個鋪層平行，不同鋪層的材料主方向才是相同的，才能簡化為宏觀均勻的各向異性材料。現有方法無法對不同鋪層間鋪層方向不同的結構進行數值仿真計算，由于實際結構復雜或根據使用需求，導致鋪層間纖維束(紗線)并不平行，對此類結構進行有限元仿真計算已成為CMCs結構設計和力學分析的技術瓶頸。

綜上：當今對陶瓷基復合材料進行數值仿真計算均是將其簡化為宏觀均勻的各向異性材料，沒有考慮結構件的細觀結構；且只能計算鋪層平行規整的結構件，有必要對不同鋪層間鋪層方向不同的情況進行研究。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，為實現對不同鋪層間鋪層方向不同的結構進行仿真運算，提供一種陶瓷基復合材料超單元結構數值仿真計算方法，用超單元劃分結構并進行有限元數值仿真。超單元尺度大于結構的單胞尺度，所以超單元內部包含多個單胞，且由于結構鋪層不平行，超單元包含材料主方向不同的單胞。本發明基于超單元網格內部的單胞模型計算超單元的剛度矩陣，然后進行有限元數值仿真，本方法仿真計算過程中使用了實際結構的單胞模型，考慮了單胞尺度的細觀結構。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：