行匹配;如果匹配，則確定復(fù)合材料的最佳工藝 因素和結(jié)構(gòu)參數(shù);否則返回步驟a。
[0110] 以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在本發(fā)明所 揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各項(xiàng)修改、替換和改變。因此本發(fā)明不應(yīng)由上述事例 來限定，而應(yīng)以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍來限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟： a、 確定擬選用的樹脂基體和增強(qiáng)纖維的機(jī)械性能和復(fù)合方式，所述的機(jī)械性能包括樹 脂基體的模量、和增強(qiáng)纖維的模量和強(qiáng)度； b、 基于復(fù)合材料的纖維含量特征值，確定工藝因素對(duì)復(fù)合材料的纖維含量的影響范 圍： c、 采用均一化數(shù)值方法從細(xì)觀上計(jì)算單層復(fù)合材料的工程彈性常數(shù);單層復(fù)合材料的 工程彈性常數(shù)包括模量和強(qiáng)度； d、 基于步驟c獲得的單層復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)，根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)從宏觀 上獲得復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)的工程彈性常數(shù);所述層合結(jié)構(gòu)的工程彈性常數(shù)包括模量和強(qiáng) 度;所述的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鋪層角度； e、 基于步驟d獲得的所述層合結(jié)構(gòu)的工程彈性常數(shù)，獲得復(fù)合材料的承載性能;和 f、 判斷步驟e獲得的復(fù)合材料的承載性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，并確定復(fù)合材料的最佳 工藝因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟f包括以下步驟:將步驟e獲 得的復(fù)合材料的承載性能與設(shè)計(jì)要求的承載性能進(jìn)行匹配;如果匹配，則確定復(fù)合材料的 最佳工藝因素和結(jié)構(gòu)參數(shù);否則返回步驟a。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟a包括以下具體步驟： A1、獲取擬選用的樹脂基體的模量，和獲取擬選用的增強(qiáng)纖維的模量和強(qiáng)度;和 A2、估算不同的樹脂基體和增強(qiáng)纖維復(fù)合后形成的復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度，確定可選 用的復(fù)合方式。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟b包括以下具體步驟： B1、依據(jù)實(shí)驗(yàn)或資料獲取典型工藝制備復(fù)合材料的纖維含量特征值;和 B2、根據(jù)下列公式確定工藝因素對(duì)復(fù)合材料的纖維含量的影響范圍： El = EmVm+EfVf, l/E2 = Vm/Em+Vf/Ef, 式中，El表不沿纖維長(zhǎng)度方向的彈性模量、E2表不沿垂直纖維方向的彈性模量、Em表不 樹脂基體的彈性模量、vm表示樹脂基體的體積含量、Ef表示增強(qiáng)纖維的彈性模量、Vf表示增 強(qiáng)纖維的體積含量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟c包括以下具體步驟： C1、根據(jù)復(fù)合材料的橫截面纖維的分布特點(diǎn)，確定出用于描述細(xì)觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維分布 周期性單元，該單元至少包含一個(gè)纖維橫截面； C2、建立描述所述周期性單元的第一單胞三維模型，通過調(diào)整纖維直徑參數(shù)反映所代 表復(fù)合材料內(nèi)的纖維含量，其中單胞厚度為纖維直徑1/5~1/2; C3、采用有限元工具對(duì)所述的第一單胞三維模型進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分，并對(duì)第一單胞相 對(duì)點(diǎn)、邊、面的邊界節(jié)點(diǎn)施加周期性邊界條件使其符合周期性連續(xù)條件； C4、將樹脂基體和增強(qiáng)纖維的機(jī)械性能分別輸入有限元工具，并賦予相應(yīng)的單元;所述 的機(jī)械性能包括樹脂基體的模量、和增強(qiáng)纖維的模量和強(qiáng)度； C5、分別對(duì)第一單胞施加不同方向的載荷工況，分析其結(jié)構(gòu)響應(yīng)； C6、依據(jù)下列公式獲得第一單胞在不同加載工況下的整體剛度響應(yīng)； 式中，^表示單胞的應(yīng)力分量的平均值，下標(biāo)ij表示應(yīng)力方向，V為單胞的體積，Ω 為單胞內(nèi)的所有單元，vk為單胞內(nèi)單元k的體積，σ t為單胞內(nèi)單元k的應(yīng)力分量〇ij;和 C7、依據(jù)第一單胞的整體剛度響應(yīng)獲得第一單胞代表單層復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)， 所述的單層復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)包括El、E2、V12、G12、S、Xt、XC、Yt、和YC;其中，12表示 材料坐標(biāo)系，1表示纖維長(zhǎng)度方向，2表示垂直纖維方向；E1、E2分別為材料坐標(biāo)系下1方向和 2方向的彈性模量，VI2為材料坐標(biāo)系12面內(nèi)泊松比，G12為材料坐標(biāo)系12面內(nèi)剪切模量，S表 示材料坐標(biāo)系12面內(nèi)的剪切強(qiáng)度，Xt、Xc分別表示材料坐標(biāo)系1方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度，Yt、 Yc分別表示材料坐標(biāo)系2方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟d包括以下具體步驟： D1、建立宏觀上足夠小、細(xì)觀上足夠大的第二單胞三維模型，用于描述該第二單胞代表 的復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)； D2、采用有限元工具對(duì)第二單胞三維模型進(jìn)行單元離散，并依據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)相應(yīng)的單 元坐標(biāo)進(jìn)行修改，使其符合實(shí)際工藝參數(shù);所述的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鋪層角度； D3、對(duì)第二單胞相對(duì)點(diǎn)、邊、面的邊界節(jié)點(diǎn)分別施加周期性邊界條件使其符合周期性連 續(xù)條件； D4、將步驟C7獲得的復(fù)合材料工程彈性常數(shù)輸入有限元工具，并賦予相應(yīng)的單元； D5、分別對(duì)第二單胞施加不同的載荷工況，分析其結(jié)構(gòu)響應(yīng)； D6、依據(jù)下列公式獲得第二單胞在不同加載工況下的整體剛度響應(yīng)： %ft 式中，表示單胞的應(yīng)力分量συ的平均值，下標(biāo)ij表示應(yīng)力方向，V為單胞的體積，Ω 為單胞內(nèi)的所有單元，vk為單胞內(nèi)單元k的體積，:σ 為單胞內(nèi)單元k的應(yīng)力分量〇i」;和 D7、依據(jù)第二單胞的整體剛度響應(yīng)獲得第二單胞代表的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的工程彈性 常數(shù)，所述的層合結(jié)構(gòu)的工程彈性常數(shù)包括Ex、Ey、Vxy和Gxy;其中，xy表示結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系，Ex、 Ey分別為結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下X方向和y方向的彈性模量，Vxy為結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系xy面內(nèi)泊松比，Gxy為 結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系xy面內(nèi)剪切模量。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟e包括以下具體步驟： E1、建立復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)的三維CAD模型； E2、采用有限元工具對(duì)所述三維CAD模型進(jìn)行單元離散;并依據(jù)工藝因素對(duì)相應(yīng)位置的 單元坐標(biāo)進(jìn)行修改，使其符合實(shí)際工藝參數(shù)； E3、將述步驟D7獲得的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工程彈性常數(shù)輸入有限元工具，并賦予相應(yīng)的單 元； E4、依據(jù)復(fù)合材料的受載工況，對(duì)所述層合結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的邊界條件，分析其結(jié)構(gòu)響 應(yīng);和 E5、依據(jù)復(fù)合材料的強(qiáng)度值和結(jié)構(gòu)安全要求，分析所述層合結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)，判斷并確 定所述層合結(jié)構(gòu)的不合理區(qū)域，并獲得獲得復(fù)合材料的承載性能。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟C2還包括以下具體步驟： 校核第一三維單胞模型的連接界面部位的強(qiáng)度，以有限元分析其應(yīng)力分布，獲得第一 三維單胞模型的合理性最優(yōu)解。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟的D1還包括以下具體步驟： 校核第二單胞三維模型的連接界面部位的強(qiáng)度，以有限元分析其應(yīng)力分布，獲得第二 單胞三維模型的合理性最優(yōu)解。10. 根據(jù)權(quán)利要求5~7任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述有限元工具為ANSYS 軟件。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：a、確定樹脂基體和增強(qiáng)纖維的機(jī)械性能和復(fù)合方式；b、確定工藝因素對(duì)復(fù)合材料的纖維含量的影響范圍：c、采用均一化數(shù)值方法從細(xì)觀上計(jì)算單層復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)；d、基于步驟c獲得的單層復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)從宏觀上獲得復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)的工程彈性常數(shù)；e、基于步驟d獲得的所述層合結(jié)構(gòu)的工程彈性常數(shù)獲得復(fù)合材料的承載性能；和f、判斷步驟e獲得的復(fù)合材料的承載性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，并確定復(fù)合材料的最佳工藝因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)。該方法充分考慮材料組分、工藝因素變化對(duì)復(fù)合材料承載性能影響的影響，并且設(shè)計(jì)周期縮短，成本降低。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105468826
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510795349
【發(fā)明人】黃其忠, 胡照會(huì), 彭玉剛, 王鵬飛, 高紅成, 王丹
【申請(qǐng)人】北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司
【公開日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年11月18日