[发明专利]热塑性复合材料构件层间界面性能分子动力学模拟方法

说明书

本发明提供一种热塑性复合材料构件层间界面性能分子动力学模拟方法。所述模拟方法包括以下步骤：构建树脂层模型；将两个树脂层模型合围至长方体形的第一模拟框内，构建具有树脂层对树脂层结构的层间界面模型；对层间界面模型进行能量优化，直至其具有稳定的分子构型；在层间界面模型的非压缩方向添加周期性边界条件，并按照预先确定的多个粘结成型工艺，模拟层间界面的粘结过程直至层间界面达到稳定状态，得到多个模拟结果，每个模拟结果对应一个粘结成型工艺；根据多个模拟结果确定影响层间界面性能的影响因素。采用本发明的模拟方法能够模拟并预测各工艺条件对层间界面性能影响的规律及主次，指导成型工艺方案的制定。

技术领域

本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种热塑性复合材料构件层间界面性能分子动力学模拟方法。

背景技术

热塑性复合材料在兼具热固性复合材料高比强度、高比模量等优良性能的基础上，具有韧性高、抗冲击性好、可回收再利用及成型效率高等优点，是未来复合材料的重要发展方向。层间界面性能是最能体现复合材料构件成型质量的指标之一，现有技术多为基础实验研究，缺乏有效的层间界面性能预测及粘结机理揭示手段，模压成型过程中预浸料层间会发生分子间的自扩散现象，形成紧密的粘附界面，该现象难以通过宏观实验检测，或通过有限元软件进行仿真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热塑性复合材料构件层间界面性能分子动力学模拟方法，能够模拟并预测各工艺条件对层间界面性能影响的规律及主次，指导成型工艺方案的制定。

为实现上述目的，本发明提供一种热塑性复合材料构件层间界面性能分子动力学模拟方法，所述复合材料为纤维增强热塑性树脂基复合材料，基于构件层间的界面强度主要受界面两侧树脂之间的渗透及粘结行为控制，所述模拟方法建模时忽略纤维的影响，包括以下步骤：

(1)构建树脂层模型；

(2)将两个所述树脂层模型合围至长方体形的第一模拟框内，构建具有树脂层对树脂层结构的层间界面模型；

(3)对所述层间界面模型进行能量优化，直至所述层间界面模型具有稳定的分子构型；

(4)在完成能量优化后的所述层间界面型的非压缩方向添加周期性边界条件，并按照预先确定的多个粘结成型工艺，模拟层间界面的粘结过程直至层间界面达到稳定状态，得到多个模拟结果，所述粘结成型工艺包括成型温度和成型压力，多个所述粘结成型工艺对应不同的成型温度和/或不同的成型压力，每个所述模拟结果对应一个所述粘结成型工艺；

(5)根据多个所述模拟结果确定影响层间界面性能的影响因素。

在一种具体的实施方式中，所述步骤(1)包括：

基于树脂的化学结构式确定所述树脂的单体分子式，并构建所述单体分子式对应的单体分子结构模型；

基于所述单体分子结构模型构建聚合度为M的聚合物单链，其中，所述M为整数，且10≤M≤30；

基于第二模拟框和N条聚合物单链构建得到树脂层模型，其中，所述N为整数，且5≤N≤20。

在一种具体的实施方式中，所述步骤(3)的能量优化过程包括：

通过多轮迭代对所述层间界面模型的潜能进行最小化处理得到第一模型，每轮迭代包括依次进行的最速下降法、共轭梯度法、牛顿-拉森法；

将所述第一模型在等体积等温系综NVT下弛豫0.5～5×10⁶fs得到第二模型，其中，粒子数为6840～41040，体积与所述第一模拟框的原始尺寸对应的体积相同，温度设置为25℃；

将所述第二模型在等压等温系综NPT下弛豫0.5～5×10⁶fs达到平衡状态，使所述层间界面模型具有稳定的分子构型，其中，粒子数为6840～41040，压力设置为2MPa，温度设置为25℃。