[发明专利]一种单向复合材料弯曲刚度预测方法

说明书

本发明公开了一种单向复合材料弯曲刚度的预测方法。提出了一种基于细观单胞的弯曲刚度修正公式用于单向复合材料等效弯曲刚度计算。根据三点弯曲试验，对建立的纤维‑界面‑基体三相细观单胞有限元模型进行三点弯曲数值模拟，施加周期性边界条件和位移载荷，得到模型的应力应变场和位移变形情况。提取施加载荷处截面的合力与模型的位移变形量，根据弯曲刚度计算公式得到单胞的弯曲刚度值。将单胞弯曲刚度值带入到提出的弯曲刚度修正公式，得到单向纤维复合材料的等效弯曲刚度。通过验证两种复合材料的预测值均接近于试验值，误差在5%以内，且精度高于无界面层模型，本发明能够准确地预测单向复合材料的弯曲刚度，节省宏观建模耗费的大量时间。

技术领域

本发明属于材料刚度预测技术领域，特别涉及一种单向复合材料弯曲刚度预测方法。

背景技术

复合材料以其耐腐蚀、强度高等优点，在面广量大的土木、交通、船舶、海洋等工程领域被广泛应用，且已呈现出良好的发展态势。国内外相关科研究人员已在复合材料的结构、性能等方面开展了大量的基础研究与研发工作，其中复合材料力学性能预测已逐步成为复合材料方面研究的重点。刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力，是复合材料的一项重要的力学性能参数，研究和预测复合材料的刚度对复合材料性能研究有着重要意义。

对于复合材料力学性能的研究上，一般基于细观尺度，采用建立相应的单胞模型的方法进行。目前复合材料刚度预测，大多着重于短纤维或混杂纤维复合材料，对单向长纤维复合材料的研究较少；大多着重于强度研究和预测弹性模量和剪切模量，弯曲刚度较少提及；并且结合界面性能预测单向复合材料的弯曲刚度并不多见。因此，提出的一种单向复合材料弯曲刚度预测方法能为相关的复合材料性能研究和结构设计提供一定的参考。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本申请提出一种能有效预测单向复合材料弯曲刚度预测方法。

本发明通过如下技术方案实现：一种单向复合材料的弯曲刚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定所要预测的复合材料各部分的性能参数，以及相应复合材料在三点弯曲试验中试验件的尺寸；

步骤2、确定所建立的细观单胞有限元模型的各部分尺寸，以及相应的各部分材料参数；

步骤3、确定对单胞模型所施加的周期性边界条件，保证细观单胞模型的数值模拟下应力连续和变形一致；

步骤4、确定对细观单胞模型施加的约束和载荷；

步骤5、确定施加载荷求解后细观单胞模型的应力应变场，确定施加载荷处的法向截面合力与位移变形量；

步骤6、确定细观单胞模型的弯曲刚度值；

步骤7、提出基于细观单胞的弯曲刚度修正公式，具体形式如下：

上式中，E为单向复合材料等效弯曲刚度，E₁为细观单胞模型的等效弯曲刚度值，l为细观单胞模型的长度，h为细观单胞模型的高度，B为单向复合材料宏观试验件的宽度，b为细观单胞模型的宽度，n为单向复合材料宏观试验件与细观单胞模型的宽度比，Δp为细观单胞模型弯曲载荷下线弹性变形阶段的载荷增量，Δf为细观单胞模型弯曲载荷下线弹性变形阶段的位移变形量；

步骤8、确定基于细观单胞模型的弯曲刚度修正公式计算下，预测出单向复合材料的等效弯曲刚度；并且预测无界面层情况下复合材料的弯曲刚度值，二者分别与试验值进行对比，分析误差，证明预测模型准确可靠。

进一步，所述步骤2中确定细观单胞有限元模型尺寸，需要分别确定纤维、基体和界面厚度的尺寸，纤维部分为纤维单丝集结成的纤维束，则纤维直径为：

式中：R为单胞模型中纤维直径，r为纤维单丝直径，n为纤维单丝数量；