[发明专利]三维编织复合材料性能自适应单元分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种异形三维编织材料性能的分析方法，尤其涉及一种基于细观单元结构的三维编织复合材料性能的自适应单元分析方法。

背景技术

三维编织复合材料以其优异的力学性能得到航空航天、国防和医疗等行业的广泛关注，异形三维编织复合材料在上述领域得到了广泛应用。但其梯度性能的有效预测、分析方法则非常少。

发明内容

本发明的任务在于提供一种异形三维编织复合材料性能的自适应单元分析方法。

申请人经研究发现，异形截面三维编织复合材料的性能体现出明显的梯度变化趋势，传统的数学模型无法完成其性能的定量描述。申请人通过对三维编织工艺及材料内部细观几何结构的详细研究，提出用于一种描述三维编织复合材料梯度性能的自适应单元方法，即将用于分割三维编织复合材料的自适应六面体单元等效为长方体单元，两种单元体积恒等，花节相等，纤维体积百分含量相同；在计算复合材料内部确定坐标位置的力学性能时，用该单元进行自适应覆盖，用混合法计算出单元的力学性能代表该点的力学性能，进而实现复合材料内部随坐标位置变化而变化的物理性能数字化描述，达到预测和分析异形截面三维编织复合材料性能的目的。

基于上述研究，本发明提出一种异形三维编织复合材料性能的自适应单元分析方法，该自适应单元方法包括描述实际三维编织复合材料内部几何结构的自适应单元及用于等效其结构及性能的长方体单元。

自适应单元方法描述的单元几何结构自适应三维编织材料的自身结构，其体积及性能随织物宏观结构变化而变化。等效长方体单元与其等效的自适应单元的纱线交叉方法相同、体积恒等，花节相等，纤维体积百分含量相同。

本发明所述三维编织复合材料性能自适应单元分析方法具体包括如下步骤：

1)定义异形截面三维编织复合材料的单元——自适应单元：

设维编织复合材料构件内部某一自适应单元在空间区域E围成的三元函数为f(x，y，z)，且函数f(x，y，z)在区域E上连续，其体积为：

U_z＝∫∫∫_E，f(y，z)dzdydx

2)将自适应单元等效为长方体单元：

设异形截面三维编织复合材料的性能μ(x，y，z)在自适应单元内部与相邻单元边界连续变化，将三维编织复合材料的自适应单元等效为长方体单元，等效方法如下：

2.1两种单元的纱线交叉方法相同、体积及花节恒等，即

U_z≡U_c＝WLδ_c，δ_z＝δ_c

式中U_z和δ_z分别表示自适应单元的体积及花节；U_c和δ_c分别表示等效长方体单元的体积及花节；

2.2纤维体积百分含量相同

自适应单元的纤维体积百分含量

V_zf＝U_zf/U_z

等效长方体单元的纤维体积百分含量

V_c＝U_cf/U_c

即V_cf＝V_zf

式中U_zf和U_cf分别表示自适应单元和长方体单元中纤维的体积；

3)基于自适应单元方法的确定异形截面三维编织复合材料整体纤维体积百分含量：

3.1定义异形截面三维编织复合材料的三维坐标点并进行数字化描述，用i(a，b，c，...)来标识需要描述的织物内部的坐标点，每个坐标点分别对应一个用于覆盖该坐标点的自适应单元，并对应一个等效长方体单元，前述对应坐标点的等效长方体单元用j(1，2，3，...)来标识；

3.2根据精度需要来确定步长，步长越小，性能描述的精度越高，在织物内部不同坐标方向分别有三个步长S_x、S_y和S_z；

3.3计算异形截面三维编织复合材料坐标点纤维体积百分含量：

V_i＝U_f(i，j)/U_i，j×100％