[发明专利]三维机织复合材料力学性能评测方法

权利要求书

1.一种三维机织复合材料力学性能评测方法，其特征在于，包括弹性性能和强度性能的评估，通过检测纤维体积分数得到对应的纤维束的刚度矩阵，进而通过不同纤维束占代表性体积单元的体积分数得到代表性体积单元的总体刚度矩阵，即弹性性能的评估；结合总体刚度矩阵与外加载荷得到不同纤维束和基体内的应力分量，然后分别采用最大应力准则和Von-Mises准则分别作为判定纤维束失效和基体失效的准则，当满足准则时得到对应的应力分量，即强度性能的评估；

所述的代表性体积单元的经向纤维束沿着坐标系X轴方向，纬向纤维束沿着坐标系Y轴方向，在单元表面的捆绑纤维束沿着X轴方向而在单元内部的捆绑纤维束沿着Z轴方向；由于单元内的纤维束方向各异，所以需计算全局坐标系下不同纤维束的刚度矩阵，其中：经向、纬向和捆绑纤维束在全局坐标系下的θ和单位为°，即其中：下标warp代表经向纤维束，weft代表纬向纤维束，binder1代表表面捆绑纤维束，binder2代表内部捆绑纤维束；

所述的纤维束的刚度矩阵，通过纤维体积分数以及纤维与基体的力学性能参数，运用体积混合公式计算得到对应该纤维体积分数下的纤维束的弹性性能和强度性能，合并后得到纤维束的刚度矩阵；

所述的代表性体积单元的总体刚度矩阵，通过坐标旋转得到全局坐标系下所有纤维束的刚度矩阵，依据三维机织复合材料的代表性体积单元的几何尺寸，得到不同纤维束占代表性体积单元的体积分数；基于体积平均化理论，根据不同纤维束占代表性体积单元的体积分数计算得到代表性体积单元的总体刚度矩阵；

所述的纤维束失效的准则是指：以轴向失效为主要失效方向评价横观各向同性的纤维束，即纤维束的经向或纬向上的拉伸、压缩、表面捆绑或内部捆绑的应力大于等于对应强度，具体为采用最大应力准则作为纤维束轴向的失效准则：其中：σ⁺为纤维束在轴向的拉伸应力，σ^-为纤维束在轴向的压缩应力，X⁺和X^-为纤维束拉伸和压缩强度；当失效准则中有一个不等式成立时，纤维束失效；

所述的基体失效的准则是指：各向同性的基体内一点的等效应力达到剪切屈服强度阈值时，基体发生失效，具体为采用Von-Mises准则：其中：σ₀为材料的剪切屈服强度；σ₁，σ₂，σ₃，τ₁₂，τ₂₃和τ₃₁分别为基体在各方向上的主应力，且σ_matrix＝[σ₁,σ₂,σ₃,τ₁₂,τ₂₃,τ₃₁]，当不等式成立时，三维机织复合材料的基体发生失效；

所述的力学性能参数，通过纤维束中纤维的体积分数V_f以及纤维束中基体的体积分数V_m，采用体积混合公式计算得到，包括：V_m＝1-V_f，纤维束轴向弹性模量E₁₁＝E_11fV_f+E_mV_m，纤维束横向弹性模量纤维束面内剪切模量纤维束面外剪切模量主泊松比μ₁₂＝μ_12fV_f+μ_mV_m，横向泊松比其中：E_11f为纤维轴向弹性模量，E_22f为纤维横向弹性模量，G_12f为纤维面内剪切模量，G_23f为纤维面外剪切模量，μ_12f为纤维主泊松比，μ_23f为纤维横向泊松比；基体为各向同性材料，E_m为基体弹性模量，G_m为基体剪切模量，μ_m为基体泊松比；纤维体积分数V_f＝S_f/(W×H)，S_f为纤维束中纤维的总截面积，W和H分别是纤维束的宽度和高度；

所述的强度性能包括：纤维束拉伸强度纤维束压缩强度其中：是纤维拉伸强度，是纤维压缩强度，σ₀为基体强度；

所述的纤维束的刚度矩阵

所述的代表性体积单元的总体刚度矩阵为：

其中：V代表不同纤维束占代表性体积单元的体积分数，代表不同纤维束在全局坐标系下的刚度矩阵，V和的下标代表纤维束的类型，N为纤维束的层数，W和H分别是纤维束的宽度和高度，D代表纤维束的间距，T为代表性体积单元的厚度；代表性体积单元的柔度矩阵

在受到外加载荷时复合材料代表性体积单元中的应变分布均等，即不同纤维束与基体的应变相等；因此当复合材料受到的应力向量为σ，其全局应变由于代表性体积单元内应变分布均等，那么纤维束的应力向量为：基体内的应力向量为：其中：为基体的刚度矩阵，σ_matrix为基体的应力向量。