[發明專利]一種用于復合材料分析的預應力施加方法

在審

• 申請號: 202211427696.7
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN116312873A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 王猛
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 北京博識智信專利代理事務所(普通合伙) 16067
• 代理人: 韓立光

本發明公開了一種考慮復合材料橫向變形的預應力施加方法。為解決現有技術中復合材料預應力施加方法存在的計算效率和計算精度難以均衡的技術問題，本發明采用等效方法融合多步分析和熱分析方法。首先使用簡單模型的多步分析，獲得纖維的等效橫向熱膨脹系數，從而考慮復合材料在預應力載荷下的橫向變形，然后將預應力等效為等效溫度載荷，實現復合材料有限元分析的預應力的高效施加。本發明用于復合材料分析的預應力施加方法有效保證了預應力復合材料的分析的準確度和效率，具有較強的工程實踐意義。

技術領域

本發明涉及一種復合材料的有限元分析方法，具體的是一種用于復合材料分析的預應力施加方法。

背景技術

預應力復合材料在工程中應用廣泛。但是由于復合材料內部的結構復雜、纖維和基體之間存在巨大的力學性能差異、成型工藝復雜等原因，會在材料內部產生復雜的殘余應力狀態。殘余應力的存在會使得復合材料的損傷起始和發展過程產生變化，并最終影響其強度，因此需要準確地預測材料內部殘余應力狀態。有限元方法是預測預應力復合材料殘余應力狀態的重要工具，但是尚缺少高效的預應力施加方法。

為了保證預應力復合材料分析的準確性，現有的預應力施加方法為等效溫度方法，此方法廣泛應用于預應力鋼筋混凝土構件內部應力狀態的研究中。其基于預應力值與鋼筋的縱向熱膨脹系數和彈性模量，計算施加于鋼筋的等效溫度荷載。但是由于鋼筋混凝土構件中，鋼筋的體積含量占比較少，可以忽略鋼筋的橫向變形。但是在纖維增強復合材料中，隨著制備工藝的提升，其設計纖維體積含量可以越來越高。由于泊松比效應，纖維橫向會存在收縮變形，此變形無法在等效溫度法中體現。除此之外，多數纖維增強復合材料需要靜力高溫固化過程，此過程同樣會導致材料內部產生殘余應力。但是等效溫度方法不能考慮溫度和預應力對殘余應力狀態的耦合影響。

為提高分析的效率，常見的預應力施加過程中的等效方法是根據一定的等效公式計算預應力的等效溫度載荷，通過施加等效溫度載荷的方式實現預應力的施加，但該方法沒有考慮預應力施加過程中復合材料纖維和基體之間的橫向變形，雖然提高了分析效率，但是會導致預應力復合材料的有限元分析結果準確性不佳。本發明基于此，提出了一種考慮復合材料纖維橫向變形的預應力施加方法，有效保證了預應力復合材料進行有限元分析的分析精度，并有效控制了有限元分析的計算量，保證了其計算效率。

發明內容

為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提供了一種用于復合材料分析的預應力施加方法，提高預應力復合材料分析的準確性和效率。

本發明通過以下技術方案來實現：

一種用于復合材料有限元分析的預應力施加方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1：建立復合材料的單胞模型，并分別建立該單胞模型的纖維模型和基體模型；

步驟2：計算施加在所述單胞模型中纖維上的預應力 σ_pre，并計算該預應力的等效溫度荷載Δ T；

步驟3：在所述纖維模型上施加預應力 σ_pre，進行有限元分析，得到纖維模型的有限元分析結果；

步驟4：?將所述纖維模型的有限元分析結果施加到所述單胞模型中，對所述單胞模型進行有限元分析，得到單胞模型的有限元分析結果；

步驟5：根據所述單胞模型的有限元分析結果，計算復合材料纖維的等效橫向熱膨脹系數 α_ft；