[發明專利]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

• 申請號: 202011448987.5
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112560254B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（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: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;李勇軍

本發明涉及一種基于CT掃描的含孔隙缺陷短纖維增強復合材料力學性能的預測方法，主要解決現有技術預測精度計算效率低的問題。其方案是：利用CT掃描獲得短纖維增強相，孔隙缺陷和基體材料的微觀分布；根據短纖維的長短和空間取向，建立橢球形簡化力學模型；基于有限體積直接平均微觀力學法，建立三維等參化的細觀力學模型；通過先將短纖維增強相和孔隙缺陷兩組分材料等效均化，再將等效模型與基體組分材料二次等效的兩步法獲得細觀力學模型；通過組分材料的空間分布和力學參數獲得復合材料的各向異性力學參數。本發明提高了預測精度，取得了比體胞夾雜理論更高的計算效率，節省了時間，可用于新能源汽車、航空航天、海洋船舶材料的測試和選擇。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種復合材料力學性能預測方法，可用于新能源汽車，航空航天，海洋船舶，體育器材的材料測試和選擇。

背景技術

短纖維增強復合材料是指在基體相中混雜空間隨機分布短纖維的一類復合材料。在細觀尺度上，由于短纖維的空間隨機分布，往往造成細觀應力場分布不均勻的問題，但是相較于傳統材料，該類型復合材料表現出優異的韌性和抗沖擊能力。短纖維增強復合材料成型工藝簡單，在實際生產中片狀模塑料和團狀模塑料產量極大。采用聚合物基的短纖維復合材料不但大大降低自重，而且具備良好的絕緣特性，在電器設備中，該類材料逐步替代非承力外殼中的金屬材料。此外，在新能源汽車，航空航天，海洋船舶，體育器材等領域，短纖維增強復合材料具有更為廣闊的應用前景。實際上，短纖維增強復合材料的力學性能存在高度的不可預測性，致使材料的應用環境和安全裕度受到了嚴格的限制。短纖維的空間取向和尺寸是影響復合材料的各向異性力學性能的根本原因，而這兩項重要指標均與材料成型存在重要的聯系。因此，基于組分材料微觀分布的信息，建立復合材料細觀力學模型模擬各向異性力學性能，對修正材料成型工作中存在的問題和提高復合材料的力學性能具有重要的工程意義。

Hamidi等人在Composites Science and Technology發表的文章中，提出采用電子掃描顯微鏡獲得模塑復合材料孔隙形態二維切片的結構特征，但實際上該試驗方法無法充分表征組分材料的三維微觀分布。Lin等人在NDT and E International發表的文章中，提出采用超聲波方式分析具有隨機孔隙的復合材料的微觀特征，但該方法對于復雜的微觀結構卻并不理想。針對以上試驗中的問題，Wang等人在Composite Structures發表的文章中，提出使用CT技術對平紋碳/環氧復合材料進行掃描，該方法雖然獲得了復合材料組分的三維微觀結構信息，但由于復合材料的力學性能受到多種組分相的影響，根據組分材料的微觀幾何信息建立一種合理的力學模型，將會極大減少工程試驗成本，有助于復合材料的多尺度力學行為的預測。因此，基于細觀力學模型，建立一種包含組分材料微觀幾何特征的數值方法，無論對提高理論模型的預測精度還是對改進多相夾雜復合材料的預測方法均具有重要的創新性意義。而該CT技術并沒有建立反應復合材料真實結構的模型，也沒有對其力學性能進行預測。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于CT掃描的短纖維增強復合材料力學性能預測方法，以建立含孔隙缺陷的短纖維增強復合材料模型，獲得其非線性應力-應變響應曲線，實現對復合材料各向異性力學參數和非線性力學行為的有效預測。

本發明的技術思路是：通過CT掃描試驗評價含孔隙缺陷的短纖維增強復合材料中各組分材料的微觀分布；通過對組分材料微觀分布的統計結果，分析影響復合材料各向異性力學性能的主要原因；根據材料成型的工藝手段，探究并修正影響微觀結構的工藝參數；對于高度隨機性分布的短纖維增強相和孔隙缺陷，通過兩步法評估三相介質夾雜情況下復合材料的各向異性力學性能；通過對基體材料建立非線性力學模型，模擬復合材料在承受準靜態拉伸載荷情況下的非線性力學響應，計算的正交各向異性剛度矩陣可根據偏軸加載的角度獲得其他角度下的等效彈性模量，提高數值模型的工程適用性，具體實現步驟包括如下：

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：