一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法。該方法基于偏光顯微鏡技術(shù)獲得的纖維和基體的尺寸大小、空間分布情況，以及已知的組分材料的性能，使用有限元軟件對(duì)材料的雙軸試驗(yàn)進(jìn)行模擬，同時(shí)確定試驗(yàn)過(guò)程中材料的破壞機(jī)理及過(guò)程。將有限元軟件模擬的結(jié)果與雙軸試驗(yàn)機(jī)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者幾乎完全吻合時(shí)，表明該方法有效可行，同時(shí)表明使用該方法模擬的材料破壞過(guò)程也相當(dāng)可信。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，對(duì)編織復(fù)合材料各種復(fù)雜載荷情況均試用，能更精確地、全面地反映編織復(fù)合材料在復(fù)雜載荷情況下的力學(xué)響應(yīng)，特別地能夠直觀反映在試驗(yàn)中不能觀察到的材料微觀破壞機(jī)理及過(guò)程。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于試驗(yàn)測(cè)定材料參數(shù)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種編織復(fù)合材料的雙軸試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]編織復(fù)合材料由于其具有良好的整體性，在航空航天領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，相應(yīng)地增加了用科學(xué)的方法來(lái)表征材料性能的需要，以此來(lái)指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和運(yùn)用，而使用試驗(yàn)的方法來(lái)準(zhǔn)確確定材料性能參數(shù)，無(wú)疑是這種需要中重要的基礎(chǔ)性工作。編織復(fù)合材料的一個(gè)具體例子為3D編織復(fù)合材料，其不僅在X、Y兩個(gè)方向上有增強(qiáng)的纖維，而且在Z方向也有增強(qiáng)的纖維棒，以此來(lái)對(duì)材料整個(gè)空間進(jìn)行加強(qiáng)，纖維與基本之間采用特殊的工藝來(lái)加強(qiáng)兩種不同材料之間的界面，使之構(gòu)成一個(gè)整體性很強(qiáng)的材料。
[0003]編織復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試原理是將材料采用線切割等方法將材料加工成標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的大小、尺寸，在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行簡(jiǎn)單力學(xué)性能試驗(yàn)，以此來(lái)確定材料的單軸拉伸模量、泊松比、強(qiáng)度；單軸壓縮模量、泊松比、強(qiáng)度；剪切模量、強(qiáng)度。由于編織復(fù)合材料優(yōu)異的特性，其使用環(huán)境特殊，往往承受的是復(fù)雜載荷形式，因此測(cè)量材料的雙軸力學(xué)性能顯得尤為重要。但材料雙軸試驗(yàn)形式多樣，不僅包括拉-拉、拉-壓、拉-剪、壓-剪等內(nèi)容，而且每種還能設(shè)定不同的載荷比，每種不同的形式得到的數(shù)據(jù)差異很大，如何科學(xué)準(zhǔn)確地通過(guò)雙軸試驗(yàn)來(lái)表征材料的性能成為新的挑戰(zhàn)。而雙軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得無(wú)疑將完善材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。
[0004]有限元軟件模擬是一種強(qiáng)大的虛擬試驗(yàn)技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)的試件在軟件中進(jìn)行建模操作，可以準(zhǔn)確建立材料的空間分布和尺寸大小，并對(duì)模型的不同區(qū)域賦予相應(yīng)的材料性能參數(shù)，完成真實(shí)材料模型在虛擬試驗(yàn)中的重構(gòu)，而且有限元軟件業(yè)還有優(yōu)秀的二次開(kāi)發(fā)能力，一方面可以通過(guò)Python軟件對(duì)有限元的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行直接操作，編寫(xiě)一個(gè)函數(shù)對(duì)具有相同特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量化處理，另一方面還可以通過(guò)編寫(xiě)Fortran用戶(hù)子程序來(lái)考慮復(fù)雜受力條件下的損傷，最后將真實(shí)材料的受力情況施加給材料，通過(guò)軟件求解來(lái)得到模擬結(jié)果。
[0005]編織復(fù)合材料很多是脆性材料，在試驗(yàn)加載過(guò)程中，表面出現(xiàn)初始裂紋到最終破壞時(shí)間短暫，很難觀測(cè)到破壞過(guò)程，僅可以觀察破壞后的形貌，使用有限元方法進(jìn)行模擬不僅可以模擬材料的試驗(yàn)獲得的材料性能數(shù)據(jù)，而且可能模擬材料的破壞過(guò)程，特別地可以模擬無(wú)法直接觀察到的材料內(nèi)部損傷、破壞過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)編織復(fù)合材料復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)試與表征，本發(fā)明提出了一種用于測(cè)定參數(shù)的方法，即:基于偏光顯微鏡技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量與有限元軟件模擬的編織復(fù)合材料雙軸力學(xué)性能試驗(yàn)性能參數(shù)測(cè)定方法。[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法，包括如下步驟:
[0009]一、使用偏光顯微鏡對(duì)編織復(fù)合材料進(jìn)行觀測(cè)，利用其周期性，確定其最小的代表性體積單元，并對(duì)若干個(gè)代表性體積單元內(nèi)的纖維束和基體的尺寸大小和空間分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，取其平均值；
[0010]二、將編織復(fù)合材料粗磨至納米壓痕儀要求的形狀后，分別對(duì)試樣不同位置采用納米壓痕技術(shù)確定纖維束橫向模量ETf和基體模量Em ；
[0011]三、(I)根據(jù)步驟一所確定的纖維束和基體的尺寸大小、空間分布，作為已知參數(shù)，輸入有限元軟件Abaqus的CAE模塊中進(jìn)行建模操作，完成模型建立；(2)將步驟二所確定的纖維束橫向模量ETf、基體模量Em，以及纖維生產(chǎn)廠家所提供的纖維束性能參數(shù)賦予模型，而其余未直接得到的參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，完成材料屬性的賦予；(3)編寫(xiě)Python軟件操作Abaqus生成的inp文件,編寫(xiě)方程,施加周期性邊界條件,將纖維/基體的界面考慮成O厚度的內(nèi)聚力單元，編寫(xiě)Abaqus自帶的用戶(hù)子程序USDFLD程序?qū)煞N不同材料及所對(duì)應(yīng)的破壞準(zhǔn)則改造成統(tǒng)一的形式；(4)模型在加載過(guò)程中當(dāng)模型的單元應(yīng)力達(dá)到損傷判據(jù)時(shí)，對(duì)單元的材料屬性進(jìn)行不同比例、一定程度的折減后繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算；
(5)使用Abaqus自帶的狀態(tài)函數(shù)SDV表征材料破壞機(jī)理；(6)最后完成對(duì)各種復(fù)雜載荷情況下的雙軸試驗(yàn)的模擬，得到模擬的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0012]四、在雙軸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)編織復(fù)合材料進(jìn)行雙軸試驗(yàn)，進(jìn)行不同載荷比的拉-拉、壓-壓、拉-壓、拉-剪、壓-剪試驗(yàn)，確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察破壞宏觀形貌；
[0013]五、將模擬的結(jié)果同相應(yīng)的雙軸試驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整步驟三中根據(jù)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)確定的參數(shù)，使有限元模擬的結(jié)果逐漸接近真實(shí)數(shù)據(jù)；
[0014]六、當(dāng)模擬的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)接近，差異小于5 %時(shí)，且保證狀態(tài)函數(shù)SDV所表示的破壞形式與真實(shí)破壞相同時(shí)，表明該方法有效可行，同時(shí)表明使用該方法模擬的材料破壞過(guò)程也相當(dāng)可信。
[0015]本發(fā)明基于偏光顯微鏡技術(shù)獲得的纖維和基體的尺寸大小、空間分布情況，以及已知的組分材料的性能，使用有限元軟件對(duì)材料的雙軸試驗(yàn)進(jìn)行模擬，同時(shí)確定試驗(yàn)過(guò)程中材料的破壞機(jī)理及過(guò)程。將有限元軟件模擬的結(jié)果與雙軸試驗(yàn)機(jī)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)t匕，當(dāng)兩者幾乎完全吻合時(shí)，表明該方法有效可行，同時(shí)表明使用該方法模擬的材料破壞過(guò)程也相當(dāng)可信。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，對(duì)編織復(fù)合材料各種復(fù)雜載荷情況均試用，能更精確地、全面地反映編織復(fù)合材料在復(fù)雜載荷情況下的力學(xué)響應(yīng)，特別地能夠直觀反映在試驗(yàn)中不能觀察到的材料微觀破壞機(jī)理及過(guò)程，能夠使用模擬的方法得到實(shí)驗(yàn)中無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量的材料性能參數(shù)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為偏光顯微鏡觀測(cè)到的材料形貌圖；
[0017]圖2為納米壓痕儀所記錄的載荷-深度曲線示意圖；
[0018]圖3為Abaqus/CAE建立的材料模型；
[0019]圖4為Abaqus/CAE建立的O厚度界面單元；[0020]圖5為對(duì)材料進(jìn)行1:1比例的雙向壓縮力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)；
[0021]圖6為經(jīng)過(guò)合理化參數(shù)調(diào)整后的應(yīng)力分布圖；
[0022]圖7為某增量步過(guò)程中Abaqus軟件模擬的損傷云圖；
[0023]圖8為1:1比例的雙向壓-壓條件下真實(shí)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0025]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式提供了一種使用有限兀方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法，該方法需要完成不同形式的雙軸試驗(yàn)，需要偏光顯微鏡、納米壓痕儀，需要有限元軟件Abaqus和一定的編程能力，其包括如下步驟:
[0026]1、使用偏光顯微鏡對(duì)編織復(fù)合材料進(jìn)行觀測(cè)，利用其周期性，確定其最小的代表性體積單元，并對(duì)若干個(gè)代表性體積單元內(nèi)的纖維束和基體的尺寸大小和空間分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，取其平均值；
[0027]2、將編織復(fù)合材料粗磨至納米壓痕儀要求的形狀后，分別對(duì)試樣不同位置采用納米壓痕技術(shù)確定纖維束橫向模量ETf和基體模量Em ；
[0028]3、根據(jù)步驟⑴所確定的纖維束和基體的尺寸大小、空間分布，作為已知參數(shù)，輸入有限元軟件Abaqus的CAE模塊中進(jìn)行建模操作，完成模型建立，然后將步驟(2)所確定的纖維束橫向模量ETf、基體模量Em，以及纖維生產(chǎn)廠家所提供的纖維縱向模量Ew、拉伸強(qiáng)
度K、壓縮強(qiáng)度校等參數(shù)賦予模型，而其余未直接得到的參數(shù)，如纖維束和基體泊松比V、
基體拉伸和壓縮強(qiáng)度<、K等參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，完成材料屬性的賦予，接著編寫(xiě)Python軟件操作Abaqus生成的inp文件,編寫(xiě)方程,施加周期性邊界條件，同時(shí)把纖維/基體的界面考慮成O厚度的內(nèi)聚力單元(cohesive element),方便賦予界面屬性，這樣就可以通過(guò)代表性體積單元來(lái)反映整體的性能，同時(shí)編寫(xiě)Abaqus自帶的用戶(hù)子程序USDFLD，為表征損傷，采用國(guó)際上通用的準(zhǔn)則，當(dāng)基體為脆性材料時(shí)，如碳基體，則纖維束使用三維Hashin失效準(zhǔn)則、基體采用最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則的損傷判定程序，當(dāng)基體為塑性材料時(shí)，如樹(shù)脂，纖維束使用Tsa1-Wu失效準(zhǔn)則、基體采用Mises準(zhǔn)則的損傷判定程序，模型在加載過(guò)程中當(dāng)模型的單元應(yīng)力達(dá)到損傷判據(jù)時(shí)，對(duì)單元的材料屬性進(jìn)行不同比例、一定程度的折減(一般取90% )后繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算，為使兩種不同的材料在USDFLD—個(gè)程序中使用，本方法將纖維束失效準(zhǔn)則和基體失效準(zhǔn)則改造成統(tǒng)一的形式，方便程序正確調(diào)用，具體改造方式為，當(dāng)纖維和基體的準(zhǔn)則類(lèi)似時(shí)，采用參數(shù)化分別對(duì)兩種材料的參數(shù)賦不同的值，當(dāng)纖維準(zhǔn)則中出現(xiàn)基體所沒(méi)有的準(zhǔn)則時(shí)，將纖維的準(zhǔn)則整體乘以一個(gè)參數(shù)β，令纖維的β值等于I，基體的β值等于O,如Hashin和最大應(yīng)力準(zhǔn)則的改造:纖維束L方向(縱向拉伸)(拉伸和壓縮分別用下標(biāo)t、c來(lái)區(qū)分)以及T/Z(橫向和法向)拉伸和壓縮剪切初始損傷判據(jù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、使用偏光顯微鏡對(duì)編織復(fù)合材料進(jìn)行觀測(cè)，利用其周期性，確定其最小的代表性體積單元，并對(duì)若干個(gè)代表性體積單元內(nèi)的纖維束和基體的尺寸大小和空間分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，取其平均值； 二、將編織復(fù)合材料粗磨至納米壓痕儀要求的形狀后，分別對(duì)試樣不同位置采用納米壓痕技術(shù)確定纖維束橫向模量ETf和基體模量Em ； 三、(I)根據(jù)步驟一所確定的纖維束和基體的尺寸大小、空間分布，作為已知參數(shù)，輸入有限元軟件Abaqus的CAE模塊中進(jìn)行建模操作，完成模型建立；(2)將步驟二所確定的纖維束橫向模量ETf、基體模量Em，以及纖維生產(chǎn)廠家所提供的纖維束性能參數(shù)賦予模型，而其余未直接得到的參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，完成材料屬性的賦予；(3)編寫(xiě)Python軟件操作Abaqus生成的inp文件,編寫(xiě)方程,施加周期性邊界條件,將纖維/基體的界面考慮成O厚度的內(nèi)聚力單元，編寫(xiě)Abaqus自帶的用戶(hù)子程序USDFLD程序?qū)煞N不同材料及所對(duì)應(yīng)的破壞準(zhǔn)則改造成統(tǒng)一的形式；(4)模型在加載過(guò)程中當(dāng)模型的單元應(yīng)力達(dá)到損傷判據(jù)時(shí)，對(duì)單元的材料屬性進(jìn)行不同比例、一定程度的折減后繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算；(5)使用Abaqus自帶的狀態(tài)函數(shù)SDV表征材料破壞機(jī)理；(6)最后完成對(duì)各種復(fù)雜載荷情況下的雙軸試驗(yàn)的模擬，得到模擬的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)； 四、在雙軸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)編織復(fù)合材料進(jìn)行雙軸試驗(yàn)，進(jìn)行不同載荷比的拉-拉、壓-壓、拉-壓、拉-剪、壓-剪試驗(yàn)，確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察破壞宏觀形貌； 五、將模擬的結(jié)果同相應(yīng)的雙軸試驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整步驟三中根據(jù)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)確定的參數(shù)，使有限元模擬的結(jié)果逐漸接近真實(shí)數(shù)據(jù)； 六、當(dāng)模擬的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)接近，差異小于5%時(shí)，且保證狀態(tài)函數(shù)SDV所表示的破壞形式與真實(shí)破壞相同時(shí)，表明該方法有效可行，同時(shí)表明使用該方法模擬的材料破壞過(guò)程也相當(dāng)可信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法，其特征在于所述具體改造方式為:采用參數(shù)化分別對(duì)兩種材料的參數(shù)賦不同的值，當(dāng)纖維準(zhǔn)則中出現(xiàn)基體所沒(méi)有的準(zhǔn)則時(shí)，將纖維的準(zhǔn)則整體乘以一個(gè)參數(shù)β，令纖維的β值等于1，基體的β值等于O。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法，其特征在于所述基體為脆性材料時(shí)，纖維束使用三維Hashin失效準(zhǔn)則、基體采用最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則的損傷判定程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗(yàn)確定材料性能參數(shù)的方法，其特征在于所述基體為塑性材料時(shí)，纖維束使用Tsa1-Wu失效準(zhǔn)則、基體采用Mises準(zhǔn)則的損傷判定程序。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103970969SQ201410238761
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】徐德昇, 許承海, 張瑾瑜, 孟松鶴, 杜善義 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)