[发明专利]一种纤维增强复合材料在低温下热残余应力的数值计算方法

说明书

本发明公开了一种计算纤维增强复合材料在低温下热残余应力的数值方法。其步骤包括：a.基于纤维随机分布，构建复合材料的代表性体积单元(RVE)；b.对复合材料RVE划分网格，得到计算所需的有限元模型；c.将纤维和基体材料与温度相关的热/力学性能参数赋予有限元模型；d.为有限元模型添加周期性边界条件；e.对有限元模型施加温度载荷，计算得到热残余应力。该方法操作简单、预测精度高，可以在复合材料低温残余应力的预测方面发挥重要作用，从而为复合材料在低温领域的应用打下基础。

技术领域

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料在低温下热残余应力的数值计算方法。

背景技术

大型运载火箭的研制与发展，对箭体结构的轻质化要求越来越高。低温推进剂贮箱作为箭体结构中重量和体积占比最大的部件，其轻质化水平是衡量结构效率的核心因素。纤维增强树脂基复合材料具有比模量和比强度高、疲劳性能好、导热系数低等优点，已经在航空航天领域获得广泛的应用。美国国家航空航天局(NASA)的研究报告表明，用复合材料制造低温推进剂贮箱可以比目前铝合金贮箱质量减轻20％～40％，从而使结构效率提高，成本降低。因此，设计、开发和研制复合材料低温推进剂贮箱是进行下一代空间探索用运载器研究的关键一步。

然而，为了盛装推进剂，贮箱材料需要承受非常低的温度。以液氢-液氧推进剂系统为例，液氧的温度为-183℃，液氢的温度更是低至-253℃。对于纤维增强树脂基复合材料，由于纤维与树脂的热膨胀系数(CTE)差异很大，当复合材料冷却至上述低温时，材料内部会产生较大的热残余应力，甚至有可能直接引起材料中出现微裂纹，从而对贮箱乃至整个火箭的安全性造成威胁。因此，准确获取复合材料在低温下的热残余应力对于复合材料低温推进剂贮箱的设计和制造就显得尤为重要。

目前对各类材料残余应力的表征手段还不完善，虽然已经发展了一些实验方法，如钻孔法、环芯法、XRD表征法和拉曼表征法等。但是，这些实验方法通常比较复杂而花费较大，且难以准确测量复合材料的微观残余应力。而数值模拟方法相对简单、预测精度高，可以在复合材料残余应力的预测方面发挥重要作用。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种纤维增强复合材料在低温下热残余应力的数值计算方法，包括以下步骤：S1:基于纤维随机分布构建复合材料的代表性体积单元RVE；

S2:对复合材料的代表性体积单元划分网格得到计算所需的有限元模型：采用有限元软件，对复合材料RVE划分三维实体网格，纤维和基体的网格之间通过结点相连，其中复合材料RVE中相对的两个面的网格保持一致；

S3:将纤维和基体材料与温度相关的热/力学性能参数赋予有限元模型：假设纤维的热/力学性能不随温度而变化，基体材料的弹性模量和热膨胀系数随温度而变化；

S4:为有限元模型添加周期性边界条件：其中周期性边界条件的施加是通过在各个对应面的结点之间添加多点约束来实现；

S5:对有限元模型施加温度载荷：其中温度载荷为从室温降低到所设定的低温；

S6:计算得到复合材料在低温下的微观热残余应力，获得复合材料在低温下的微观热残余应力结果。

S1中生成纤维随机分布的方法为：选定一个窗口，先填入第一根纤维，并以第一根纤维为中心，在其周围依次随机填入新的纤维直到填满；然后转到第二根纤维，在其周围依次随机填入新的纤维，直到填满；对之后的每根纤维依次重复上述过程，直到整个窗口被填满，再随机删除纤维使得纤维体积含量接近目标体积含量。