[发明专利]一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法

摘要

本发明公开了一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法。该方法基于偏光显微镜技术获得的纤维和基体的尺寸大小、空间分布情况，以及已知的组分材料的性能，使用有限元软件对材料的双轴试验进行模拟，同时确定试验过程中材料的破坏机理及过程。将有限元软件模拟的结果与双轴试验机获得的真实数据进行对比，当两者几乎完全吻合时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。本发明操作简单，可重复性强，对编织复合材料各种复杂载荷情况均试用，能更精确地、全面地反映编织复合材料在复杂载荷情况下的力学响应，特别地能够直观反映在试验中不能观察到的材料微观破坏机理及过程。

主权项

一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值；二、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量E_Tf和基体模量E_m；三、(1)根据步骤一所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立；(2)将步骤二所确定的纤维束横向模量E_Tf、基体模量E_m，以及纤维生产厂家所提供的纤维束性能参数赋予模型，而其余未直接得到的参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予；(3)编写Python软件操作Abaqus生成的inp文件，编写方程，施加周期性边界条件，将纤维/基体的界面考虑成0厚度的内聚力单元，编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD程序将两种不同材料及所对应的破坏准则改造成统一的形式；(4)模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减后继续进行迭代计算；(5)使用Abaqus自带的状态函数SDV表征材料破坏机理；(6)最后完成对各种复杂载荷情况下的双轴试验的模拟，得到模拟的应力‑应变数据；四、在双轴试验机上对编织复合材料进行双轴试验，进行不同载荷比的拉‑拉、压‑压、拉‑压、拉‑剪、压‑剪试验，确定试验数据及观察破坏宏观形貌；五、将模拟的结果同相应的双轴试验真实数据进行对比，调整步骤三中根据文献和经验确定的参数，使有限元模拟的结果逐渐接近真实数据；六、当模拟的数据与真实数据接近，差异小于5％时，且保证状态函数SDV所表示的破坏形式与真实破坏相同时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。