[发明专利]一种连续纤维增强复合材料基本力学性能参数预测方法

权利要求书

1.一种连续纤维增强复合材料基本力学性能参数预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于周期性边界条件，通过有限元仿真软件建立四边形代表性体积元模型并划分有限元网格，所述的四边形代表性体积元模型为连续纤维增强复合材料中纤维呈周期性排列时截取的其中具代表性的最小体积单元，根据连续纤维的截面半径r和连续纤维在复合材料中的体积分数Vf，确定四边形代表性体积元模型的尺寸：

所述四边形代表性体积元模型是一个长方体，棱长为a、b、c，其中一对包含棱长b、c的平行面正中间被一条圆柱形连续纤维垂直贯穿，其他部分为基体材料，b、c的取值满足πr²/bc＝Vf，且b、c均大于连续纤维的直径2r，a为任意值；

S2：规定沿连续纤维的方向为纵向，垂直连续纤维的方向为横向，在代表性体积元模型垂直于连续纤维的面上分别施加在材料弹性范围内的纵向的正向载荷、横向的正向载荷，平行于连续纤维的面上的纵向剪切载荷以及平行于连续纤维的面上的横向剪切载荷，并计算横向正向载荷下基体的应力集中系数；

S3：将分别施加上述载荷后，有限元仿真计算软件得到的平均变形量响应结果和横向正向载荷下基体的应力集中系数带入数值解析法的基于基本力学性能模型计算公式，最终可求得连续纤维增强复合材料纵向杨氏模量、纵向泊松比、横向杨氏模量、横向泊松比、纵向剪切模量、横向剪切模量和横向拉伸强度的预测值。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料基本力学性能参数预测方法，其特征在于，所述复合材料的基体材料为金属、陶瓷或树脂。

3.根据权利要求1或2所述的连续纤维增强复合材料基本力学性能参数预测方法，其特征在于，所述连续纤维增强复合材料横向杨氏模量、纵向杨氏模量、横向弹性模量、纵向泊松比、横向泊松比、纵向剪切模量和横向剪切模量的预测值计算方法包括以下步骤：

将四边形代表性体积元模型记为长方体ABCD-GFEH，其中AB＝GF＝CD＝EH＝b，AG＝BF＝CE＝DH＝c，GH＝EF＝AD＝BC＝a，定义DA方向为X轴方向，DC方向为Y轴方向，DH方向为Z轴方向，即X轴方向为纵向，Y轴和Z轴方向为横向；

在ABFG面上施加沿X轴方向的正向载荷P₁，进行有限元模拟计算后，得到的ABFG面上各有限元节点沿X轴上的位移平均值为δ₁，沿Y轴的位移平均值为δ₂，用下式计算连续纤维增强复合材料纵向杨氏模量E₁和纵向泊松比v₁₂的预测值：

在BCEF面上施加沿Y轴的横向的正向载荷P_t，进行有限元模拟计算后，得到的BCEF面上各有限元节点沿Y轴的位移平均值为δ₃，沿Z轴的位移平均值为δ₄，用下式计算连续纤维增强复合材料横向杨氏模量E₂和横向泊松比v₂₃的预测值：

在GFEH面上施加沿Y轴的横向剪切载荷P，进行有限元模拟计算后，得到的GFEH面上各有限元节点沿Y轴的位移平均值为δ₅，用下式计算连续纤维增强复合材料横向剪切模量G₃₂的预测值：

在BCEF面上施加沿X轴的纵向剪切载荷P_s，进行有限元模拟计算后，得到的BCEF面上各有限元节点沿X轴的位移平均值为δ₆，用下式计算连续纤维增强复合材料纵向剪切模量G₂₁的预测值：

4.根据权利要求1或2所述的连续纤维增强复合材料基本力学性能参数预测方法，其特征在于，所述横向拉伸载荷下基体的应力集中系数和连续纤维增强复合材料横向拉伸强度的预测值计算方法为：

将四边形代表性体积元模型记为长方体ABCD-GFEH，其中AB＝GF＝CD＝EH＝b，AG＝BF＝CE＝DH＝c，GH＝EF＝AD＝BC＝a，定义DA方向为X轴方向，DC方向为Y轴方向，DH方向为Z轴方向，即X轴方向为纵向，Y轴和Z轴方向为横向；

在BCEF面上施加沿Y轴的横向的拉伸载荷σ，平行于BCEF面与连续纤维相切的接近BCEF面一侧的平面为破坏面；选取代表性体积元模型中垂直于纤维方向的一个有限元平面，提取有限元平面内破坏面与连续纤维截面圆切点处的最短外法线上的所有有限元节点沿载荷σ方向的应力响应，计算平均值，得到最短外法线应力平均值横向的正向载荷σ下基体的应力集中系数K通过下式计算：

采用下式计算连续纤维增强复合材料横向拉伸强度的预测值σ^u,t：

其中，为复合材料的基体材料的横向拉伸强度。