[发明专利]复合材料的设计方法

摘要

本发明公开了一种复合材料的设计方法，包括以下步骤：a、确定树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式；b、确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：c、采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数；d、基于步骤c获得的单层复合材料的工程弹性常数从宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数；e、基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数获得复合材料的承载性能；和f、判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数。该方法充分考虑材料组分、工艺因素变化对复合材料承载性能影响的影响，并且设计周期缩短，成本降低。

主权项

1.一种复合材料的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：a、确定拟选用的树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式，所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；b、基于复合材料的纤维含量特征值，确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：c、采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数；单层复合材料的工程弹性常数包括模量和强度；步骤c包括以下具体步骤：C1、根据复合材料的横截面纤维的分布特点，确定出用于描述细观结构内部纤维分布周期性单元，该单元至少包含一个纤维横截面；C2、建立描述所述周期性单元的第一单胞三维模型，通过调整纤维直径参数反映所代表复合材料内的纤维含量，其中单胞厚度为纤维直径1/5～1/2；C3、采用有限元工具对所述的第一单胞三维模型进行有限网格划分，并对第一单胞相对点、边、面的边界节点施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；C4、将树脂基体和增强纤维的机械性能分别输入有限元工具，并赋予相应的单元；所述的机械性能包括树脂基体的模量、增强纤维的模量和增强纤维的强度；C5、分别对第一单胞施加不同方向的载荷工况，分析其结构响应；C6、依据下列公式获得第一单胞在不同加载工况下的整体刚度响应；式中，表示单胞的应力分量σ_ij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，v_k为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σ_ij；和C7、依据第一单胞的整体刚度响应获得第一单胞代表单层复合材料的工程弹性常数，所述的单层复合材料的工程弹性常数包括E1、E2、V12、G12、S、Xt、Xc、Yt、和Yc；其中，12表示材料坐标系，1表示纤维长度方向，2表示垂直纤维方向；E1、E2分别为材料坐标系下1方向和2方向的弹性模量，V12为材料坐标系12面内泊松比，G12为材料坐标系12面内剪切模量，S表示材料坐标系12面内的剪切强度，Xt、Xc分别表示材料坐标系1方向的拉伸和压缩强度，Yt、Yc分别表示材料坐标系2方向的拉伸和压缩强度；d、基于步骤c获得的单层复合材料的工程弹性常数，根据复合材料的结构参数从宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数；所述层合结构的工程弹性常数包括模量和强度；所述的结构参数包括铺层角度；步骤d包括以下具体步骤：D1、建立宏观上足够小、细观上足够大的第二单胞三维模型，用于描述该第二单胞代表的复合材料的层合结构；D2、采用有限元工具对第二单胞三维模型进行单元离散，并依据结构参数对相应的单元坐标进行修改，使其符合实际工艺参数；所述的结构参数包括铺层角度；D3、对第二单胞相对点、边、面的边界节点分别施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；D4、将步骤C7获得的复合材料工程弹性常数输入有限元工具，并赋予相应的单元；D5、分别对第二单胞施加不同的载荷工况，分析其结构响应；D6、依据下列公式获得第二单胞在不同加载工况下的整体刚度响应：式中，表示单胞的应力分量σ_ij的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体积，Ω为单胞内的所有单元，v_k为单胞内单元k的体积，为单胞内单元k的应力分量σ_ij；和D7、依据第二单胞的整体刚度响应获得第二单胞代表的复合材料层合结构的工程弹性常数，所述的层合结构的工程弹性常数包括Ex、Ey、Vxy和Gxy；其中，xy表示结构坐标系，Ex、Ey分别为结构坐标系下x方向和y方向的弹性模量，Vxy为结构坐标系xy面内泊松比，Gxy为结构坐标系xy面内剪切模量；e、基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数，获得复合材料的承载性能；和f、判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的最佳工艺因素和结构参数。