[發明專利]一種單向復合材料彎曲剛度預測方法

在審

• 申請號: 202110747774.0
• 申請日: 2021-07-01
• 公開（公告）號: CN113486552A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 楊興林;劉曉倩;陳波
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 郭俊玲

1.一種單向復合材料的彎曲剛度預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、確定所要預測的復合材料各部分的性能參數，以及相應復合材料在三點彎曲試驗中試驗件的尺寸；

步驟2、確定所建立的細觀單胞有限元模型的各部分尺寸，以及相應的各部分材料參數；

步驟3、確定對單胞模型所施加的周期性邊界條件，保證細觀單胞模型的數值模擬下應力連續和變形一致；

步驟4、確定對細觀單胞模型施加的約束和載荷；

步驟5、確定施加載荷求解后細觀單胞模型的應力應變場，確定施加載荷處的法向截面合力與位移變形量；

步驟6、確定細觀單胞模型的彎曲剛度值；

步驟7、提出基于細觀單胞的彎曲剛度修正公式，具體形式如下：

上式中，E為單向復合材料等效彎曲剛度，E₁為細觀單胞模型的等效彎曲剛度值，l為細觀單胞模型的長度，h為細觀單胞模型的高度，B為單向復合材料宏觀試驗件的寬度，b為細觀單胞模型的寬度，n為單向復合材料宏觀試驗件與細觀單胞模型的寬度比，Δp為細觀單胞模型彎曲載荷下線彈性變形階段的載荷增量，Δf為細觀單胞模型彎曲載荷下線彈性變形階段的位移變形量；

步驟8、確定基于細觀單胞模型的彎曲剛度修正公式計算下，預測出單向復合材料的等效彎曲剛度；并且預測無界面層情況下復合材料的彎曲剛度值，二者分別與試驗值進行對比，分析誤差，證明預測模型準確可靠。

2.根據權利要求1所述的單向復合材料彎曲剛度預測方法，其特征在于：所述步驟2中確定細觀單胞有限元模型尺寸，需要分別確定纖維、基體和界面厚度的尺寸，纖維部分為纖維單絲集結成的纖維束，則纖維直徑為：

式中：R為單胞模型中纖維直徑，r為纖維單絲直徑，n為纖維單絲數量；

界面厚度為：

式中：R為單胞模型中纖維直徑，r為纖維單絲直徑，n為纖維單絲數量，δ₁為單胞模型界面厚度，δ₂為纖維單絲界面厚度；

根據纖維體積分數計算出基體外形尺寸為：

式中：為纖維體積分數，V_f為纖維體積，V_c為復合材料單胞體積，L為單胞長度，R為纖維直徑，a為單胞寬度和高度；

定義纖維為各相異性材料，基體和界面為各向同性材料；確定纖維的彈性模量、剪切模量和泊松比，確定基體的彈性模量和泊松比，確定界面的彈性模量和泊松比，定義界面的彈性模量為10％的纖維的彈性模量。

3.根據權利要求1所述的單向復合材料彎曲剛度預測方法，其特征在于：所述步驟3中的周期性邊界條件為對單胞模型寬度方向的左右兩面節點耦合，約束方程為：

式中：U、V和W分別為節點沿x、y和z方向上的位移，為平均應變，a為單胞模型的寬度。

4.根據權利要求1所述的單向復合材料彎曲剛度預測方法，其特征在于：所述步驟4中，仿照三點彎曲試驗，對單胞模型兩側底部全約束，頂部中央施加位移載荷，位移載荷大小與試驗值一致。

5.根據權利要求1所述的單向復合材料彎曲剛度預測方法，其特征在于：根據在所述步驟5中提取求解后施加載荷處的法向截面合力作為Δp與位移變形量作為Δf，帶入到計算式中，求出單胞的彎曲剛度值，所述步驟6中的單胞模型彎曲剛度計算公式為：

式中：E₁為單胞彎曲剛度，l為跨距，b為單胞寬度，h為單胞高度，Δp為線彈性變形階段的載荷增量，Δf為線彈性變形階段的位移增量。

6.根據權利要求1所述的單向復合材料彎曲剛度預測方法，其特征在于：所述步驟7中，根據提出的彎曲剛度修正公式，將單胞的彎曲剛度值E₁、求得的復合材料宏觀試驗件與單胞模型的寬度比n帶入到修正公式，計算得到單向復合材料的等效彎曲剛度。

7.根據權利要求1所述的單向復合材料彎曲剛度預測方法，其特征在于：所述步驟8中，選取兩種不同的單向復合材料的試驗值，分別為碳/碳復合材料和碳/碳化硅復合材料，將有界面和無界面模型的預測結果與試驗值對比；所述所建纖維-界面-基體模型誤差值在5％以內，說明數值計算與修正公式合理；且誤差值小于無界面層模型，說明所建模型更合理，預測更為準確可靠。