[發明專利]一種連續纖維增強復合材料基本力學性能參數預測方法

在審

• 申請號: 202011507827.3
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112632819A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 沙云東;駱麗
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

1.一種連續纖維增強復合材料基本力學性能參數預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：基于周期性邊界條件，通過有限元仿真軟件建立四邊形代表性體積元模型并劃分有限元網格，所述的四邊形代表性體積元模型為連續纖維增強復合材料中纖維呈周期性排列時截取的其中具代表性的最小體積單元，根據連續纖維的截面半徑r和連續纖維在復合材料中的體積分數Vf，確定四邊形代表性體積元模型的尺寸：

所述四邊形代表性體積元模型是一個長方體，棱長為a、b、c，其中一對包含棱長b、c的平行面正中間被一條圓柱形連續纖維垂直貫穿，其他部分為基體材料，b、c的取值滿足πr²/bc＝Vf，且b、c均大于連續纖維的直徑2r，a為任意值；

S2：規定沿連續纖維的方向為縱向，垂直連續纖維的方向為橫向，在代表性體積元模型垂直于連續纖維的面上分別施加在材料彈性范圍內的縱向的正向載荷、橫向的正向載荷，平行于連續纖維的面上的縱向剪切載荷以及平行于連續纖維的面上的橫向剪切載荷，并計算橫向正向載荷下基體的應力集中系數；

S3：將分別施加上述載荷后，有限元仿真計算軟件得到的平均變形量響應結果和橫向正向載荷下基體的應力集中系數帶入數值解析法的基于基本力學性能模型計算公式，最終可求得連續纖維增強復合材料縱向楊氏模量、縱向泊松比、橫向楊氏模量、橫向泊松比、縱向剪切模量、橫向剪切模量和橫向拉伸強度的預測值。

2.根據權利要求1所述的連續纖維增強復合材料基本力學性能參數預測方法，其特征在于，所述復合材料的基體材料為金屬、陶瓷或樹脂。

3.根據權利要求1或2所述的連續纖維增強復合材料基本力學性能參數預測方法，其特征在于，所述連續纖維增強復合材料橫向楊氏模量、縱向楊氏模量、橫向彈性模量、縱向泊松比、橫向泊松比、縱向剪切模量和橫向剪切模量的預測值計算方法包括以下步驟：

將四邊形代表性體積元模型記為長方體ABCD-GFEH，其中AB＝GF＝CD＝EH＝b，AG＝BF＝CE＝DH＝c，GH＝EF＝AD＝BC＝a，定義DA方向為X軸方向，DC方向為Y軸方向，DH方向為Z軸方向，即X軸方向為縱向，Y軸和Z軸方向為橫向；

在ABFG面上施加沿X軸方向的正向載荷P₁，進行有限元模擬計算后，得到的ABFG面上各有限元節點沿X軸上的位移平均值為δ₁，沿Y軸的位移平均值為δ₂，用下式計算連續纖維增強復合材料縱向楊氏模量E₁和縱向泊松比v₁₂的預測值：

在BCEF面上施加沿Y軸的橫向的正向載荷P_t，進行有限元模擬計算后，得到的BCEF面上各有限元節點沿Y軸的位移平均值為δ₃，沿Z軸的位移平均值為δ₄，用下式計算連續纖維增強復合材料橫向楊氏模量E₂和橫向泊松比v₂₃的預測值：

在GFEH面上施加沿Y軸的橫向剪切載荷P，進行有限元模擬計算后，得到的GFEH面上各有限元節點沿Y軸的位移平均值為δ₅，用下式計算連續纖維增強復合材料橫向剪切模量G₃₂的預測值：

在BCEF面上施加沿X軸的縱向剪切載荷P_s，進行有限元模擬計算后，得到的BCEF面上各有限元節點沿X軸的位移平均值為δ₆，用下式計算連續纖維增強復合材料縱向剪切模量G₂₁的預測值：

4.根據權利要求1或2所述的連續纖維增強復合材料基本力學性能參數預測方法，其特征在于，所述橫向拉伸載荷下基體的應力集中系數和連續纖維增強復合材料橫向拉伸強度的預測值計算方法為：

將四邊形代表性體積元模型記為長方體ABCD-GFEH，其中AB＝GF＝CD＝EH＝b，AG＝BF＝CE＝DH＝c，GH＝EF＝AD＝BC＝a，定義DA方向為X軸方向，DC方向為Y軸方向，DH方向為Z軸方向，即X軸方向為縱向，Y軸和Z軸方向為橫向；

在BCEF面上施加沿Y軸的橫向的拉伸載荷σ，平行于BCEF面與連續纖維相切的接近BCEF面一側的平面為破壞面；選取代表性體積元模型中垂直于纖維方向的一個有限元平面，提取有限元平面內破壞面與連續纖維截面圓切點處的最短外法線上的所有有限元節點沿載荷σ方向的應力響應，計算平均值，得到最短外法線應力平均值橫向的正向載荷σ下基體的應力集中系數K通過下式計算：

采用下式計算連續纖維增強復合材料橫向拉伸強度的預測值σ^u,t：

其中，為復合材料的基體材料的橫向拉伸強度。