[发明专利]一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法

说明书

本发明公开了一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，包括：根据树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立树脂基复合材料的微观分析模型；根据均匀化理论对微观分析模型施加周期性边界条件，应用树脂固化动力学模型得到微观分析模型的固化特性，应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观分析模型力学特性；建立树脂基复合材料的宏观模型，将固化特性及力学特性作为属性赋予宏观模型；通过对树脂基复合材料的宏观模型施加边界条件，使用有限元分析法得到固化分析结果。本发明能够针对树脂基复合材料宏观结构，从细观结构出发考虑其固化特性，从本质上把握了树脂基复合材料的固化机制，从而在保证准确度的同时提高了建模与计算效率。

技术领域

本发明应用于复合材料仿真领域，尤其是树脂基复合材料固化仿真领域，特别是涉及一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法。

背景技术

复合材料由两种或两种以上的材料通过物理或化学的方式混合而得到，包含基体相和增强相。树脂基复合材料成型固化是复合材料生产制造中非常关键的一个环节。在固化过程中，复合材料内部的温度场和固化度场分布不均匀，故复合材料会发生不同程度的热膨胀和固化收缩，从而引起热应力和固化收缩应力。这些内应力的存在对复合材料力学性能有着很大的影响，特别对厚板构件而言，内应力有可能导致复合材料板弯曲、基体开裂以及分层现象发生，甚至会使复合材料在固化过程中就遭到破坏。

当前复合材料成型仿真，基于复合材料宏观模型，然后通过树脂反应动力学与复合材料结构力学得到复合材料固化变形中的温度变化、固化残余应力及固化变形等。但上述方法的主要问题是其忽略了复合材料的微细观特征，缺乏对复合材料固化过程本质的认识，需要对不同的材料发展相应的唯象理论，方法的应用范围与准确度受到限制。

发明内容

本发明针对具有周期性微观结构特征的复合材料在固化过程中结构响应分析问题，提出了一种能够在进行复合材料宏观固化分析的同时考虑微观结构特征多尺度分析的方法，从而可以大大提高复合材料固化分析的准确度。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S1、根据树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立树脂基复合材料的微观分析模型；

S2、根据均匀化理论对微观分析模型施加周期性边界条件，应用树脂固化动力学模型得到微观分析模型的固化特性，应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观分析模型力学特性；

S3、建立树脂基复合材料的宏观模型，将固化特性及力学特性作为属性赋予宏观模型；

S4、通过对宏观模型施加边界条件，使用有限元分析法得到固化分析结果。

较佳地，在步骤S1中，选取用于表征树脂基复合材料的周期性微观结构特征的代表性体积单元，根据所选取的代表性体积单元建立相应的有限元分析模型，并采用周期性网格划分方法进行网格划分以得到微观有限元分析模型。

较佳地，在步骤S2中，应用树脂固化动力学模型得到代表性体积单元中固化度和固化收缩应变，基于固化度和固化收缩应变利用结构力学模型得到复合材料微观分析模型的力学特性；

树脂固化动力学模型如下：

α为树脂的固化度，t为固化时间，T为树脂温度，A_i为指前因子，ΔE_i为树脂的活化能，R为气体常数，i＝1、2或3，m、l、n为材料常数；

树脂固化收缩模型如下：