[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

说明书

本发明公开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，属于材料性能预测技术领域。本发明实现方法为：基于Mori‑tanaka等效夹杂理论，建立基于细观力学的三维有限元模型，输入参数为基体材料性能和纤维的材料性能获得应变场，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。本发明能够应用于短纤维复合材料的优化设计数值模拟领域并解决相关工程问题，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。

技术领域

本发明涉及一种短纤维增强复合材料有效弹性模量预测方法，适用于基于细观力学预测复合材料力学性能的预测方法，属于材料性能预测技术领域。

背景技术

短纤维复合材料是以树脂为基体，各种短纤维为分散相的高分子复合材料。短纤维增强树脂基复合材料在强度、刚度和抗疲劳性方面不具有连续纤维增强复合材料的特性，但在加工性和生产效率方面有明显优势，具有可有效减轻自重、改善抗震，成型美观的特点，因而在新能源汽车、航空航天、海洋船舶、建筑、体育器材等领域应用广泛，具有广阔的发展前景和取代钢材等传统金属和非金属材料的可能性。由于复合材料组分、相的种类的差别、内部结构的多样性和复杂的细观结构，复合材料的有效弹性性能具有多样性。精准的预测复合材料的力学性能十分困难，但复合材料的力学性能是产品指标的关键一项。通过实验方法可以测出复合材料的有效弹性性能，但周期长，效率低并且生产成本高。因此通过建立细观力学模型，结合理论方法和有限元原理预测复合材料的力学性能具有重要工程意义。

目前针对复合材料弹性常数的预测，在国内外学者多年研究下，已经提出了几种不同的预测复合材料有效弹性常数的计算公式，对比实验表明，根据这些公式计算出的轴向模量以及轴向泊松比具有足够的精度，与试验值都吻合的相当好，但对于横向弹性模量和剪切模量的预测依然存在困难。Mori和Tanaka解决了在有限体分比下使用Eshelby等效夹杂原理的基本理论问题，Mori-Tanaka法具有数学上的逻辑性与完整性，但Mori-Tanaka法只适用于夹杂为椭球形的复合材料，不能满足大多数工程要求，具有很强的局限性。因此，基于有限元原理进行数值求解，建立一种计算简便、能获得横向弹性模量和剪切模量、适用于不同形状夹杂的通用性更强的短纤维复合材料有效弹性常数预测方法具有重要意义。

发明内容

本发明公开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要解决的技术问题是：建立一种通用的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，基于Mori-tanak等效夹杂理论，建立基于细观力学的三维有限元模型，输入参数为基体材料性能和纤维的材料性能，通过数值模拟获得应变场，利用有限元法实现预测短纤维复合材料有效弹性模量预测，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及预测，能够应用于短纤维复合材料的优化设计数值模拟领域并解决相关工程问题。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。本发明能够有效预测横向弹性模量、剪切模量，具有预测效率高和精度高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。