[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

本發明屬于航空復合材料技術領域，涉及一種連續纖維增強復合材料基本力學性能參數的預測方法，尤其涉及能夠應用在連續纖維增強金屬基復合材料的基本力學性能參數的預測。本發明提供了一種基于周期性邊界條件(應力和位移連續)建立代表性體積元(RVE)模型，并結合基體橫向拉伸應力集中系數表征，對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等基本力學性能參數進行預測的方法，該方法可實現準確預測連續纖維增強金屬基復合材料基本力學性能參數；此外，該方法亦可應用于連續纖維增強樹脂基復合材料、連續纖維增強陶瓷基復合材料基本力學性能參數的預測。

技術領域

本發明屬于航空復合材料技術領域，涉及一種連續纖維增強復合材料基本力學性能參數的預測方法，尤其涉及能夠應用在連續纖維增強金屬基復合材料的基本力學性能參數的預測。

背景技術

人類對纖維增強金屬基復合材料的研究已有近40年的歷史。各國都已把復合材料的研究與應用作為航空發動機研制發展的重點，美國先后通過國家航空航天計劃(NASP)、集成高性能渦輪發動機技術項目(IHPTET)研究計劃、鈦基復合材料渦輪發動機聯合研制項目(TMCTECC)等研究項目以研究纖維增強鈦金屬基復合材料在航空航天框架結構和發動機上的應用。連續纖維增強金屬基復合材料具有高比強度、高比剛度等優良性能，被廣泛應用到航空航天裝備制造等領域。對連續纖維增強金屬基復合材料力學性能的準確預測是其應用于結構設計的必要前提。通常預測連續纖維增強金屬基復合材料力學性能主要采用理論分析、數值計算和實驗測試相結合的方法。理論分析主要是基于復合材料力學理論，采用Eshelby等效夾雜法、自洽法、廣義自洽法和Mori-Tanaka法等方法預測力學性能，但因復合材料結構、制備工藝等差異性，其預測精度有限，一般僅限于典型復合材料基本力學性能參數計算。數值計算主要是基于復合材料結構有限元法，細觀力學模型和宏觀力學模型相結合，實現力學性能預測。實驗測試是依據復合材料力學性能測試準則，通過專門設計的實驗設備(夾具)測取材料的力學性能。在復合材料力學性能數值計算中，通過細觀力學分析可以計算細觀結構的應力/應變場，進而建立結構剛度矩陣，實現宏觀力學性能預測，因此，建立有效的細觀力學方法及其計算模型具有重要意義。

針對連續纖維增強金屬基復合材料基本力學性能預測問題，建立有效的細觀力學有限元模型是關鍵。常用的細觀力學分析模型主要包括CCA(Composite CylinderAssemblage)上下限模型、橋聯模型、代表體積元(Representative Volume Element,RVE)模型等，其中，代表體積元模型因對連續纖維增強復合材料結構力學性能預測精度較高被廣泛關注。但是，在應用RVE模型計算中，因邊界條件施加不夠完備合理、未考慮基體應力集中系數會對力學性能計算結果產生較大的影響。一些學者將周期性邊界條件應用于交叉排列的層合板力學性能預測、編織復合材料結構力學性能預測及顆粒增強復合材料力學性能預測，均表明可以達到一定預測精度。然而，針對連續纖維增強金屬復合材料結構的代表性體積元(RVE)模型施加周期性邊界條件進行力學性能預測的方法及其有效性和精度的驗證尚未充分開展。

發明內容

為了準確預測連續纖維增強金屬基復合材料基本力學性能參數，本發明提供了一種基于周期性邊界條件(應力和位移連續)建立代表性體積元(RVE)模型，并結合基體橫向拉伸應力集中系數表征，對上述基本力學性能參數進行預測的方法，該方法可實現準確預測連續纖維增強金屬基復合材料基本力學性能參數；此外，該方法亦可應用于連續纖維增強樹脂基復合材料、連續纖維增強陶瓷基復合材料基本力學性能參數的預測。

本發明是通過以下技術方案實現的：

S1：基于位移和應力連續的周期性邊界條件，通過有限元仿真計算軟件建立四邊形代表性體積元模型，并劃分有限元網格；