[發(fā)明專利]基于CT掃描的短纖維增強復合材料力學性能預測方法

有效

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• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112560254B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設計）人: 葉俊杰;蔡恒;史金旺;葉建喬;徐永和;師陽
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;李勇軍

1.基于CT掃描的短纖維增強復合材料力學性能預測方法，其特征在于，包括如下：

(1)對含孔隙缺陷的短纖維增強復合材料進行CT掃描試驗，得到微觀結構的幾何特征，對該特征進行圖像分割處理，得到短纖維增強相，孔隙缺陷和基體組分材料的三維微觀分布和體積含量；

(2)根據(jù)單體孔隙缺陷的體積與表面積計算孔隙缺陷的球形度R；

(3)基于兩尺度之間的均勻漸進化理論獲取每個子胞的Hill矩陣A；

(4)根據(jù)空間短纖維的長度，空間取向的分布和體積含量以及孔隙缺陷的體積含量，基于有限體積直接平均的微觀力學方法計算等效力學參數(shù)C₁：

上標αβγ表示子胞的三維編號，下標v和f分別表示孔隙和纖維，υ，C和A分別表示對應子胞的權值，剛度矩陣和Hill矩陣，代表孔隙位置子胞的權值，代表組成纖維子胞的權值，代表孔隙位置子胞的剛度矩陣，代表組成纖維子胞的剛度矩陣，代表三維孔隙位置子胞的Hill矩陣，代表組成纖維子胞的Hill矩陣；

(5)建立等效力學模型與基體相的細觀力學模型，獲得細觀力學參數(shù)C^*：

下標1和m分別表示等效模型和基體組分材料；

(6)基于旋轉(zhuǎn)變換剛度矩陣，計算力學模型正交各向異性剛度矩陣在任意方向的等效彈性模量E，實現(xiàn)對復合材料偏軸加載的線性力學行為預測；

(7)基于修正BP統(tǒng)一粘塑性本構模型，輸入基體組分材料的塑性參數(shù)，獲得復合材料的非線性力學行為；

(8)結合(6)和(7)，對細觀力學模型施加單軸方向的準靜態(tài)位移拉伸載荷，得到應力-應變力學響應曲線，實現(xiàn)對含孔隙缺陷的短纖維增強復合材料的彈塑性力學行為預測。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于：(1)中對微觀結構的幾何特征進行圖像分割處理，是根據(jù)介質(zhì)的邊緣特征確定介質(zhì)材料的閾值邊界,對不同的組分材料根據(jù)其所屬的閾值范圍進行分割處理。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于：(2)中計算孔隙缺陷的球形度R，通過如下公式進行：

其中，R表示為單體缺陷孔隙的球形度，V_void表示為單體缺陷孔隙的體積，A_void表示為單體缺陷孔隙的表面積。

4.如權利要求1所述的方法，其特征在于：(3)中基于兩尺度之間的均勻漸進化理論獲取每個子胞的Hill矩陣A，通過如下公式進行：

ε＝Aε^(k)

ε，ε^(k)分別表示宏觀應變與子胞應變;

Hill矩陣A表示細觀力學模型中子胞的應變與宏觀加載應變之間的線性對應關系，其為一個6×6的矩陣，表示如下：

5.如權利要求1所述的方法，其特征在于：(4)中計算等效力學參數(shù)C₁，實現(xiàn)如下：

4a)根據(jù)樣本空間內(nèi)短纖維取向的CT掃描統(tǒng)計結果，建立等效橢球夾雜的表征體積單元，該表征體積單元中橢球模型的三個主軸長度由短纖維的空間取向和長度確定，計算公式如下：

上標j表示三個主軸方向，n表示短纖維的數(shù)目，該均化長度代表主軸的相對長度；

4b)根據(jù)短纖維增強相的體積含量，以及三個主軸方向的均化長度和之間的比例關系，得到三個主軸方向的軸長，根據(jù)軸長確定等效模型的幾何特征，在此等效模型中輸入孔隙缺陷和增強相的彈性模量和泊松比，基于有限體積直接平均的微觀力學方法建立等效力學模型，得到簡化模型的等效力學參數(shù)C₁：

其中，上標αβγ表示子胞的編號，下標1和f分別表示等效模型和基體組分材料，υ，C和A分別表示對應子胞的權值，剛度矩陣和Hill矩陣。