[发明专利]一种短纤维增强热塑性复合材料复杂结构多尺度仿真方法

说明书

本发明提出了一种短纤维增强热塑性复合材料复杂结构多尺度仿真方法，属于短纤维增强材料仿真技术领域，包括：S1.材料本构构建；S2.短纤维增强热塑性复合材料复杂产品有限元分析。本发明提出一种针对短纤维增强热塑性复合材料产品强度分析方法，考虑注塑成型工艺引起的材料各向异性，构建精确的材料本构模型，并实现有限元分析，尤其对于复杂结构具有普遍适用性。短纤维增强热塑性复合材料受成型工艺的影响，呈现各向异性特性，在仿真中很难精确模拟。采用本专利描述的方法，可以获得相对精确的材料本构模型，并建立完整的强度分析流程。

技术领域

本发明涉及短纤维增强材料仿真技术领域，具体涉及一种短纤维增强热塑性复合材料复杂结构多尺度仿真方法。

背景技术

当前，研究纤维增强复合材料已经成为国际上重视的技术问题，在军用方面：飞机、火箭、人造卫星、舰艇、等军事装备都逐渐形成百分百复合材料制造；在民用方面：复合材料在运输工具、建筑结构、医疗仪器等领域已经发挥了重要的作用。纤维复合材料根据构造形式分为：单层复合材料、层叠复合材料、短纤维复合材料。短纤维复合材料其主要应用领域是汽车行业，可用于结构零件的制造；也可以用于飞行器内部非结构件的制造；纤维赋予制品良好的热力学性能，短纤维复合材料也适用于制造靠近热源的器件。另外在电气电子和家用器具方面也应用广泛。

不同复合材料有不同的制造方法，注塑成型是短纤维复合材料一种重要加工方法。在注塑成型过程中，纤维随着基体一起在模具型腔中流动，使短纤维在不同的位置产生不同的取向，从而使成型后的材料和制品中的不同位置呈现不同的微观结构。在成型过程中，熔体温度、注射压力、模具型腔形状和加工工艺参数都会对纤维的最终状态产生影响。除此之外，也可以通过组分材料的选择和匹配获得具有不同微观结构及力学性能的复合材料。为了将短玻纤增强材料更好的应用到生活中，对于短玻纤增强材料力学性能的研究就显得日益重要。

现今对于短纤维增强制品的主要研究方法主要分为以下三种方法：(1)短纤维增强制品一般通过注塑成型，Moldflow对注塑过程中基体的流动过程及其产生结果进行了比较全面考虑，所以在Moldflow中就可以进行填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向等各方面分析。(2)联合Abaqus和Moldflow两种软件进行模流分析和结构分析。因为注塑制品的结构分析并不能依靠一般注塑CAE进行，还需要其他优秀的结构分析软件，Abaqus早已经成为业内公认的功能最强的通用优秀有限元，Abaqus有直接和Moldflow的接口，所以可以直接通过联合Abaqus和Moldflow两种软件进行模流分析和结构分析，也成为预测和验证对短纤维增强复合材料力学性能的有效手段。(3)联合Abaqus、digimat和Moldflow三种软件进行模流分析和结构分析。首先应用Moldflow获得纤维在结构中分布情况以及方向信息；然后应用Digimat实现纤维方向数据的映射；最后应用Abaqus进行结构的有限元分析。然而目前的三种方法又存在一些问题：对于第一种方法，由于Moldflow不是专业的结构分析软件，所以通过Moldflow只能针对简单模型进行一些简单的结构分析，有时并不能得到研究人员想要的分析结果；对于第二种方法，联合Abaqus和Moldflow两种软件进行模流分析和结构分析，虽然相较第一种方法，可以对复杂结构进行结构分析，然而应用这种方法需要Abaqus和Moldflow软件版本的完全匹配，这样对于使用者的硬件要求较为苛刻，并且这种映射方法对于分析模型的网格有严格的要求，灵活性不高，对于复杂结构件，映射成功率不高，同时成型分析和结构分析采用的材料性能没有相关性，分析精度不高；对于第三种方法借助第三方软件Digimat构建材料细观本构模型，根据材料包含的两相直接推测出材料本构，实际工艺制作的材料的力学性能与预测的结果并不一致，将预测的本构模型带入到结构中进行结构分析并不准确。