[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

说明书

本发明属于航空复合材料技术领域，涉及一种连续纤维增强复合材料基本力学性能参数的预测方法，尤其涉及能够应用在连续纤维增强金属基复合材料的基本力学性能参数的预测。本发明提供了一种基于周期性边界条件(应力和位移连续)建立代表性体积元(RVE)模型，并结合基体横向拉伸应力集中系数表征，对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等基本力学性能参数进行预测的方法，该方法可实现准确预测连续纤维增强金属基复合材料基本力学性能参数；此外，该方法亦可应用于连续纤维增强树脂基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料基本力学性能参数的预测。

技术领域

本发明属于航空复合材料技术领域，涉及一种连续纤维增强复合材料基本力学性能参数的预测方法，尤其涉及能够应用在连续纤维增强金属基复合材料的基本力学性能参数的预测。

背景技术

人类对纤维增强金属基复合材料的研究已有近40年的历史。各国都已把复合材料的研究与应用作为航空发动机研制发展的重点，美国先后通过国家航空航天计划(NASP)、集成高性能涡轮发动机技术项目(IHPTET)研究计划、钛基复合材料涡轮发动机联合研制项目(TMCTECC)等研究项目以研究纤维增强钛金属基复合材料在航空航天框架结构和发动机上的应用。连续纤维增强金属基复合材料具有高比强度、高比刚度等优良性能，被广泛应用到航空航天装备制造等领域。对连续纤维增强金属基复合材料力学性能的准确预测是其应用于结构设计的必要前提。通常预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能主要采用理论分析、数值计算和实验测试相结合的方法。理论分析主要是基于复合材料力学理论，采用Eshelby等效夹杂法、自洽法、广义自洽法和Mori-Tanaka法等方法预测力学性能，但因复合材料结构、制备工艺等差异性，其预测精度有限，一般仅限于典型复合材料基本力学性能参数计算。数值计算主要是基于复合材料结构有限元法，细观力学模型和宏观力学模型相结合，实现力学性能预测。实验测试是依据复合材料力学性能测试准则，通过专门设计的实验设备(夹具)测取材料的力学性能。在复合材料力学性能数值计算中，通过细观力学分析可以计算细观结构的应力/应变场，进而建立结构刚度矩阵，实现宏观力学性能预测，因此，建立有效的细观力学方法及其计算模型具有重要意义。

针对连续纤维增强金属基复合材料基本力学性能预测问题，建立有效的细观力学有限元模型是关键。常用的细观力学分析模型主要包括CCA(Composite CylinderAssemblage)上下限模型、桥联模型、代表体积元(Representative Volume Element,RVE)模型等，其中，代表体积元模型因对连续纤维增强复合材料结构力学性能预测精度较高被广泛关注。但是，在应用RVE模型计算中，因边界条件施加不够完备合理、未考虑基体应力集中系数会对力学性能计算结果产生较大的影响。一些学者将周期性边界条件应用于交叉排列的层合板力学性能预测、编织复合材料结构力学性能预测及颗粒增强复合材料力学性能预测，均表明可以达到一定预测精度。然而，针对连续纤维增强金属复合材料结构的代表性体积元(RVE)模型施加周期性边界条件进行力学性能预测的方法及其有效性和精度的验证尚未充分开展。

发明内容

为了准确预测连续纤维增强金属基复合材料基本力学性能参数，本发明提供了一种基于周期性边界条件(应力和位移连续)建立代表性体积元(RVE)模型，并结合基体横向拉伸应力集中系数表征，对上述基本力学性能参数进行预测的方法，该方法可实现准确预测连续纤维增强金属基复合材料基本力学性能参数；此外，该方法亦可应用于连续纤维增强树脂基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料基本力学性能参数的预测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

S1：基于位移和应力连续的周期性边界条件，通过有限元仿真计算软件建立四边形代表性体积元模型，并划分有限元网格；