[发明专利]一种三维四向编织复合材料的参数化建模方法

说明书

本发明介绍了一种三维四向编织复合材料的参数化建模方法，实现步骤如下：针对三维四向编织复合材料的内部纤维束结构进行立体几何分析，提取几何单胞模型；根据立体几何映射关系，形成单胞内部纤维束与六面体边界的相交截面控制方程；基于Matlab平台调用单胞及其纤维束的空间几何控制方程，编写在空间内生成纤维网格信息和基体网格信息的自动化程序；将网格信息和材料信息输出到可导入Abaqus中进行仿真模拟的inp文件；在程序中将编织角、纤维束轴尺寸、网格尺寸等设为单胞模型参数化变量，以inp文件为媒介工具，实现三维四向编织复合材料的参数化建模。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别是小编织角度三维四向复合材料的参数化建模。

背景技术

复合材料因其具有较高的比强度、比刚度，在航空航天领域得到了广泛的应用。其中三维四向编织复合材料较传统的复合材料层合板而言，拥有更为优秀的抗层间分离的性能，在航空航天领域结构减重设计方面的应用前景十分广泛。三维四向编织复合材料在细观尺寸上具有复杂的结构，故不宜在有限元软件中对整体结构进行计算分析。三维四向编织复合材料是具有多尺度、离散分布的多相体，目前对其进行多尺度分析时广泛采用代表性体积单元(RVE)的方法。

传统的三维四向编织复合材料的RVE模型是由纤维段和环绕纤维段的基体组成的平行六面体，其存在以下几方面的缺点：

(1)传统的RVE模型将基体分为了在纤维段内部的和在纤维段之间的两种类型，在纤维段内部的作为横向各向同性材料，纤维段之间的作为各向同性材料。实际上基体在纤维段内部和在纤维段之间都是各向同性材料，没有本质的差别；

(2)一条三维四向编织型复合材料的纤维束拥有成千上万的不同长度的纤维段，导致传统的RVE模型在应用于有限元计算时，生成周期性网格困难，工作量巨大。

因此，目前三维四向编织复合材料的代表性体积单元的建模技术仍需要改进。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服了传统三维四向编织复合材料RVE模型建立时需要将基体进行区分和产生周期性网格的困难，提供了一种建立三维四向编织复合材料干纤维和基体的RVE模型周期性网格的方法，大大减少了人力和物力成本。

本发明的技术解决方案是：一种三维四向编织复合材料的参数化建模方法，其特征在于使用Matlab程序获得RVE模型的inp文件来替代Abaqus的前处理模块。

利用所述方法能够解决传统方法中建立RVE模型时无法产生周期性网格的问题，并且不需要对基体的位置进行区分。计算结果与实验数据的对比表明，在小编织角度条件下，该模型对结果的预测有很高的准确度。

本发明一种三维四向编织复合材料的参数化建模方法，包括以下步骤：

(1)针对三维四向编织复合材料的内部纤维束结构进行立体几何分析，提取六面体结构的几何单胞模型，即RVE模型；

(2)根据立体几何映射关系，形成单胞内部纤维束与六面体边界的相交截面控制方程，具体为根据(1)中进行的几何分析建立了映射关系，将纤维束主截面上的点全部映射到纤维束与椭圆截面上，得到每条纤维束主截面与在六面体边界上形成的两个椭圆截面之间的映射关系，所述映射关系即为相交截面控制方程；

(3)基于Matlab平台调用步骤(2)形成的单胞及其纤维束的空间几何控制方程，编写在空间内生成纤维网格信息和基体网格信息的自动化程序，具体为：

(31)输入编织复合材料所需要的几何和材料参数；

(32)利用“拉丁方设计”的方法，在纤维束的主截面上生成随机分布的代表纤维束中随机分布的纤维的点，纤维的主截面为椭圆面，椭圆面的长轴和短轴的长度分别为由输入的几何和材料参数来决定；