[发明专利]基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法

权利要求书

1.基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：基于Mori-tanaka等效夹杂原理和平均应力原理推导短纤维复合材料的有效刚度计算公式，建立材料本构模型；材料本构模型包括各向异性材料本构关系模型、各向同性材料本构关系模型和横观各向同性材料本构关系模型；

步骤二：以短纤维增强树脂基复合材料的各相性能为输入参数，所述各相性能为输入参数包括基体和纤维的弹性模量、泊松比，分别输出基体和纤维的有效弹性系数矩阵；

步骤三：根据短纤维分布取向、排列方式和短纤维所占复合材料的体分比建立纤维与基体的细观力学几何模型；

步骤四：建立短纤维复合材料基于细观力学代表性体积单元有限元理论模型；

步骤五：利用有限元法计算短纤维复合材料各相结构响应；

步骤六：基于平均应变理论建立纤维和基体的应变场与平均应变的关系，获得短纤维复合材料各相平均应变；

步骤七：结合复合材料各相的平均应变关系和短纤维复合材料有效刚度计算获得复合材料有效弹性系数，根据有效弹性系数与复合材料有效弹性模量的关系，实现短纤维复合材料有效弹性模量的预测。

2.如权利要求1所述的基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，其特征在于：还包括步骤八，将步骤一至步骤七所述的方法应用于短纤维复合材料的优化设计数值模拟领域，实现短纤维复合材料的力学性能可预测性，有助于对复合材料的有效力学行为、物理行为、破坏机理的深入分析，并能够解决相关工程问题；

步骤八所述的短纤维复合材料的优化设计数值模拟工程应用领域包括船舶螺旋桨性能预测、注塑成型短纤维复合材料性能预测、短纤维复合材料风机叶片设计应用。

3.如权利要求2所述的基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，其特征在于：当将步骤一至步骤七所述的方法应用于短纤维复合材料的优化设计数值模拟中，得到短纤维的体积含量、短纤维的排列方式对短纤维复合材料有效弹性性能的影响，为实际应用中设计优化短纤维复合材料提供依据。

4.如权利要求1、2或3所述的基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，其特征在于：步骤一实现方法为，

基于Mori-tanaka等效夹杂原理和平均应力原理推导出短纤维复合材料的有效刚度的计算公式如公式(1)所示，其中，L⁰为基体的有效弹性系数；L¹为纤维的有效弹性系数；A为稀疏夹杂状态下的应变集中因子，v₁为短纤维所占材料的体分比；

L＝L⁰+v₁(L¹-L⁰)A (1)

其中，各向异性材料应力应变本构关系如公式(2)所示，公式(3)是公式(2)的矩阵形式；如果材料为各向同性，则公式(3)简化为如公式(4)所示的各向同性材料本构关系，其中k为体积模量，μ为剪切模量；

σ＝Lε (2)

其中剪切模量、体积模量与杨氏模量、泊松比的关系分别由公式(5)和公式(6)表示，其中E为杨氏模量，v为泊松比；

如果材料为横观各向同性，应力应变本构关系如公式(3)所示，刚度系数与工程常数的转换关系由公式(7)表示；

5.如权利要求4所述的基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，其特征在于：步骤二实现方法为，

以短纤维增强树脂基复合材料的各相性能为输入参数，所述各相性能为输入参数包括基体和纤维的弹性模量、泊松比，分别输出基体和纤维的如公式(4)所示的有效弹性系数矩阵，并且所述如公式(4)所示的有效弹性系数矩阵已输入所述各相性能输入参数。