[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

本發明公開了一種單向復合材料彎曲剛度的預測方法。提出了一種基于細觀單胞的彎曲剛度修正公式用于單向復合材料等效彎曲剛度計算。根據三點彎曲試驗，對建立的纖維?界面?基體三相細觀單胞有限元模型進行三點彎曲數值模擬，施加周期性邊界條件和位移載荷，得到模型的應力應變場和位移變形情況。提取施加載荷處截面的合力與模型的位移變形量，根據彎曲剛度計算公式得到單胞的彎曲剛度值。將單胞彎曲剛度值帶入到提出的彎曲剛度修正公式，得到單向纖維復合材料的等效彎曲剛度。通過驗證兩種復合材料的預測值均接近于試驗值，誤差在5%以內，且精度高于無界面層模型，本發明能夠準確地預測單向復合材料的彎曲剛度，節省宏觀建模耗費的大量時間。

技術領域

本發明屬于材料剛度預測技術領域，特別涉及一種單向復合材料彎曲剛度預測方法。

背景技術

復合材料以其耐腐蝕、強度高等優點，在面廣量大的土木、交通、船舶、海洋等工程領域被廣泛應用，且已呈現出良好的發展態勢。國內外相關科研究人員已在復合材料的結構、性能等方面開展了大量的基礎研究與研發工作，其中復合材料力學性能預測已逐步成為復合材料方面研究的重點。剛度是指材料在受力時抵抗彈性變形的能力，是復合材料的一項重要的力學性能參數，研究和預測復合材料的剛度對復合材料性能研究有著重要意義。

對于復合材料力學性能的研究上，一般基于細觀尺度，采用建立相應的單胞模型的方法進行。目前復合材料剛度預測，大多著重于短纖維或混雜纖維復合材料，對單向長纖維復合材料的研究較少；大多著重于強度研究和預測彈性模量和剪切模量，彎曲剛度較少提及；并且結合界面性能預測單向復合材料的彎曲剛度并不多見。因此，提出的一種單向復合材料彎曲剛度預測方法能為相關的復合材料性能研究和結構設計提供一定的參考。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本申請提出一種能有效預測單向復合材料彎曲剛度預測方法。

本發明通過如下技術方案實現：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。

進一步，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；