[发明专利]一种基于细观力学模型的横观各向同性纤维材料性能的预测方法

摘要

本发明涉及一种基于细观力学模型的横观各向同性纤维材料性能的预测方法，以复合材料基本材料性能、基体的材料性能以及纤维长度方向的弹性模量为输入参数，通过细观力学理论模型反演，得到横观各向同性纤维的材料性能的初值，再利用基于细观力学模型的有限元优化方法计算得到横观各向同性纤维的材料性能。本发明给出了一种求解横观各向同性纤维材料性能的优化方法，利用基于细观力学的有限元模型得到了难以试验测得的横观各向同性纤维的材料性能，为复合材料的细观力学研究提供了必要的材料性能参数。

主权项

一种基于细观力学模型的横观各向同性纤维材料性能的预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤A，根据复合材料的基本材料性能参数、基体的材料性能以及纤维长度方向的弹性模量，利用细观力学理论模型，反演得到横观各向同性纤维材料性能参数的初值；步骤B，建立基于细观力学的代表性体积单元有限元模型，带入纤维材料性能参数的初值以及基体的材料性能，施加周期性边界条件及四种载荷；周期性边界条件及四种载荷的数学表达式如下：沿纵向拉伸载荷及边界约束条件为：u(0,y,z)＝0u(a,y,z)＝△1v(x,‑b,z)＝δ1v(x,b,z)＝‑δ1w(x,y,‑c)＝δ2w(x,y,c)＝‑δ2v(0,0,0)＝0w(0,0,0)＝0沿横向拉伸载荷及边界约束条件为：u(0,y,z)＝δ3u(a,y,z)＝‑δ3v(x,‑b,z)＝‑△2v(x,b,z)＝△2w(x,y,‑c)＝δ4w(x,y,c)＝‑δ4u(a/2,0,0)＝0v(a/2,0,0)＝0w(a/2,0,0)＝0横向剪切载荷及边界约束条件为：v(x,y,‑c)＝‑△3v(x,y,c)＝△3w(x,y,‑c)＝w(x,y,c)v(x,‑b,z)＝v(x,b,z)w(x,‑b,z)＝0w(x,b,z)＝0u(0,0,0)＝0v(0,0,0)＝0w(0,0,0)＝0纵向剪切载荷及边界约束条件为：u(0,y,z)＝u(a,y,z)v(0,y,z)＝v(a,y,z)w(0,y,z)＝w(a,y,z)u(x,‑b,z)＝0v(x,‑b,z)＝0w(x,‑b,z)＝0u(x,b,z)＝△4v(x,b,z)＝0其中，u、v、w分别表示x、y、z三个方向的位移，而代表性体积单元在x、y、z三个方向的长度分别为a、2b、2c，△i(i＝1～4)表示所施加的载荷，而δi(i＝1～4)则表示约束条件平面依然保持平面；步骤C，基于步骤B中的有限元模型，预测复合材料的材料属性，获得复合材料基本材料性能参数的模拟值；步骤D，将模拟值带入优化模型的目标函数，判断是否收敛；步骤E，如果优化没有收敛，则通过ANSYS自带优化算法改变横观各向同性纤维材料的性能参数值，转入步骤C；步骤F，如果优化收敛，计算结束，则认为此时横观各向同性纤维的材料性能参数值为结果值。