[發明專利]一種基于細觀力學的單向纖維復合材料力學性能預測方法

在審

• 申請號: 202110663827.0
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113312824A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 李澤超;校金友;馬小龍;雷鳴;文立華
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 屠沛

本發明提供了一種基于細觀力學的單向纖維復合材料力學性能預測方法，該方法可快速獲取復合材料的等效彈性常數，同時可考慮纖維形狀對復合材料力學性能的影響。包括：1)獲取復合材料纖維的特征信息，所述特征信息包括纖維截面的幾何參數以及纖維體積分數；2)根據步驟1)獲取的特征信息構建等效細觀分析模型；3)基于步驟2)構建的等效細觀分析模型，采用基于細觀力學的均勻化方法，構建復合材料微元的細觀力學控制方程，獲得復合材料不同方向的等效彈性常數計算公式；4)將步驟3)獲得的復合材料不同方向的等效彈性常數計算公式，與纖維和基體的材料參數結合，獲取復合材料的等效性能參數，預測復合材料力學性能。

技術領域

本發明屬于復合材料設計領域，具體涉及一種基于細觀力學的單向纖維復合材料力學性能預測方法。

背景技術

近幾十年來，纖維增強樹脂基復合材料因其重量輕、耐腐蝕、易于加工和可設計性強等優異性能而受到廣泛關注，復合材料在航空航天結構中的應用使得有必要快速預測其力學性能。

目前，復合材料力學性能預測方法有稀疏法、Mori-Tanaka方法、自洽方法和基于細觀單胞模型的有限元均勻化方法等。其中，稀疏法、Mori-Tanaka方法和自洽方法計算過程復雜，且部分方法只適用于體積分數較低的復合材料，適用范圍較窄；而基于細觀單胞模型的有限元均勻化方法需要構建細觀單胞模型，施加周期性邊界條件，不能做到快速預示。

基于細觀力學的復合材料力學性能預測方法具有簡單和直觀的特點；Chamis、王震鳴等對基于細觀力學的復合材料力學性能預測方法中的混合法則進行了修正，雖然一定程度上提高了預示精度，但對實際纖維形狀的考慮稍顯簡單，認為復合材料中的纖維是理想的圓形截面，導致等效彈性常數在y方向和z方向是相等的，不能夠真正反映實際情況，預示精度的提升程度還是有限。

因此，有必要構建考慮纖維形狀的細觀力學的復合材料力學性能預測方法，以快速準確預示復合材料的等效力學性能參數。

發明內容

本發明的目的在于針對現有細觀力學復合材料力學性能預測方法進行改進，提供一種基于細觀力學的單向纖維復合材料力學性能預測方法，該方法可快速獲取復合材料的等效性能參數，同時可考慮纖維形狀對復合材料力學性能的影響。

為實現上述目的，本發明所提供的技術解決方案是：

一種基于細觀力學的單向纖維復合材料力學性能預測方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

1)獲取復合材料纖維的特征信息，所述特征信息包括纖維截面的幾何參數以及纖維體積分數；

2)根據步驟1)獲取的特征信息構建等效細觀分析模型；

3)基于步驟2)構建的等效細觀分析模型，采用基于細觀力學的均勻化方法，構建復合材料微元的細觀力學控制方程，然后結合等效細觀分析模型的幾何參數，對微元進行積分，獲得復合材料不同方向的等效彈性常數計算公式；

4)將步驟3)獲得的復合材料不同方向的等效彈性常數計算公式，與纖維和基體的材料參數結合(即將纖維和基體的材料參數帶入步驟3)得到的等效彈性常數計算公式中)，獲取復合材料的等效性能參數，預測復合材料力學性能。

進一步地，步驟1)中，采用掃描電鏡或顯微CT掃描獲取纖維截面的幾何參數，并對掃描獲得的圖像采用統計學方法得到纖維體積分數v_f。

進一步地，步驟1)中，所述纖維的截面為橢圓形，橢圓的半長軸為a，半短軸為b，采用更接近真實情況的橢圓描述纖維截面為例。

進一步地，步驟2)具體為：

根據步驟1)獲取的特征信息，構建邊長為2h的包含橢圓形纖維的復合材料正方形基體細觀分析模型

進一步地，步驟3)中，x方向等效彈性常數為：