【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及復合材料設計領域，是一種復雜復合材料結(jié)構分析設計方法，具體為一種復雜復合材料結(jié)構等效材料性能多尺度計算方法。
技術介紹
復合材料由于質(zhì)量輕、強度高、具有較強的可設計性等特點，廣泛應用與航空航天的結(jié)構器件中。而由于復合材料結(jié)構復雜，為了研究復合材料的性能，提升復合材料結(jié)構件的使用效率，近百年來，國內(nèi)外學者提出了大量用以預測復合材料行為的理論。其核心是通過求解控制方程，從而確定結(jié)構內(nèi)部位移、溫度等物理量的分布，從而完成對材料性能的預測。目前，復合材料材料性能預測方法主要分為四類：第一類是解析法，其代表的方法有：稀疏法、Mori-Tanaka方法、自洽方法、廣義自洽法。該類方法通過求解無限大基體內(nèi)單夾雜或多夾雜問題，得到遠場應變與單個夾雜平均應變之間關系，從而得到材料的有效模量。這種方法理論較為簡單，但由于實際復合材料存在一定的邊界，邊界效應會使得計算結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，此外，部分解析方法只適用于結(jié)構簡單，體積分數(shù)較低的復合材料，這使得這類方法在復合材料性能預測上存在一定的局限。第二類是半解析法，其代表的方法為變換場分析法。該方法在細觀采用顯式的本構關系來聯(lián)系宏觀與細觀場，該方法需要給定均勻化與局部化的規(guī)則，對于多相材料以及非線性的非均勻材料，該方法等效本構關系所需要的內(nèi)部變量會非常多，限制了該方法的應用。第三類是數(shù)值方法，其代表的方法為數(shù)值均勻化方法，該方法將復合材料轉(zhuǎn)化為一個多尺度分析問題，通過局部化和均勻化的方法，建立宏觀積分點與細觀體積代表單元之間的聯(lián)系，從而完成材料性能的預測，與解析法相比，該方法的計算量較小，并且由于在計算時考慮到材料...
【技術保護點】
一種復雜復合材料結(jié)構等效材料性能多尺度計算方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1：按照復合材料實際尺度建立宏觀有限元分析模型，宏觀有限元分析模型材料坐標系為(X1,X2,X3)；通過顯微CT掃描實驗，得到復合材料細觀結(jié)構的物理模型，根據(jù)復合材料細觀結(jié)構物理模型的體積分數(shù)、增強相與基體相的幾何特征以及排布形式、缺陷位置、鋪層數(shù)量和鋪層角信息，建立細觀有限元模型，細觀有限元模型材料坐標系記為(Y1,Y2,Y3)；通過電子顯微鏡實驗，得到復合材料微觀單胞的物理模型，根據(jù)復合材料微觀單胞物理模型增強相的體積分數(shù)、形狀、以及缺陷位置，建立微觀有限元模型，微觀有限元模型材料坐標系記為(Z1,Z2,Z3)；其中Yi＝Xi/ξ，Zi＝Y(jié)i/η，i＝1,2,3，ξ，η分別為宏觀?細觀，細觀?微觀尺度間的橋接系數(shù)，且滿足ξ<<1，η<<1；步驟2：根據(jù)需要計算的復合材料，賦予微觀有限元模型材料屬性；步驟3：將多尺度分析分為兩步，首先通過細觀?微觀兩尺度分析，得到細觀尺度的等效材料屬性；根據(jù)細觀尺度的等效材料屬性，通過宏觀?細觀兩尺度分析，得到宏觀結(jié)構的等效材料屬性。
【技術特征摘要】
1.一種復雜復合材料結(jié)構等效材料性能多尺度計算方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1：按照復合材料實際尺度建立宏觀有限元分析模型，宏觀有限元分析模型材料坐標系為(X1,X2,X3)；通過顯微CT掃描實驗，得到復合材料細觀結(jié)構的物理模型，根據(jù)復合材料細觀結(jié)構物理模型的體積分數(shù)、增強相與基體相的幾何特征以及排布形式、缺陷位置、鋪層數(shù)量和鋪層角信息，建立細觀有限元模型，細觀有限元模型材料坐標系記為(Y1,Y2,Y3)；通過電子顯微鏡實驗，得到復合材料微觀單胞的物理模型，根據(jù)復合材料微觀單胞物理模型增強相的體積分數(shù)、形狀、以及缺陷位置，建立微觀有限元模型，微觀有限元模型材料坐標系記為(Z1,Z2,Z3)；其中Yi＝Xi/ξ，Zi＝Y(jié)i/η，i＝1,2,3，ξ，η分別為宏觀-細觀，細觀-微觀尺度間的橋接系數(shù)，且滿足ξ<<1，η<<1；步驟2：根據(jù)需要計算的復合材料，賦予微觀有限元模型材料屬性；步驟3：將多尺度分析分為兩步，首先通過細觀-微觀兩尺度分析，得到細觀尺度的等效材料屬性；根據(jù)細觀尺度的等效材料屬性，通過宏觀-細觀兩尺度分析，得到宏觀結(jié)構的等效材料屬性。2.根據(jù)權利要求1所述一種復雜復合材料結(jié)構等效材料性能多尺度計算方法，其特征在于：計算的等效材料性能為等效剛度矩陣；步驟3的具體步驟為：步驟3.1：在周期性假設的條件下，將微觀有限元模型的位移漸進展開式帶入彈性力學控制方程 ∂ σ i j ξ ∂ x j + b j = 0 ]]> σ i j ξ = C i j m n ξ ϵ m n ξ ]]> ϵ m n ξ = 1 2 ( ∂ u k ξ ∂ x l + ∂ u l ξ ∂ x k ) ]]>中，得到微觀等效的剛度表達式： C i j m n H = 1 | Y | ∫ Y C i j k l [ 1 2 ( ∂ χ k m n ∂ y l + ∂ χ l m n ∂ y k ) + 1 2 ( δ m k δ n l + δ n k δ m l ) ] d Y ]]>其中，上角標代表微觀有限元模型，下角標代表6個不同應力的方向，下角標k，l代表3個不同位移的方向，的上角標代表微觀有限元模型均勻化，下角標代表剛度矩陣中6個不同的方向，Y代表單胞體積，為微觀位移特征函數(shù)，與位移對應k，l代表3個不同的位移特征函數(shù)的方向，Cijkl為單一組分材料的彈性模量，δmk為Kronecker張量，且滿足： δ m k = 1 m = k 0 m ≠ k ]]>步驟3.2：采用等效熱應力加載，將步驟3.1中的微觀等效的剛度表達式轉(zhuǎn)化為： C i j m n H = 1 | Y | ∫ Y C i j k l [ 1 2 ( ∂ χ k m n ∂ y l + ∂ χ l m n ∂ y k ) - ϵ k l m n ] d Y ]]> ϵ k l m n = α k l m n Δ T ]]> α k l m n = - 1 0 0 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 0 - 1 ]]>其中，代表等效熱應變大小，為單位熱膨脹系數(shù)，ΔT為單位溫度變化；步驟3.3：得到步驟3.2中等效的微觀有限元模型剛度矩陣后，根據(jù)細觀有限元模型內(nèi)每個鋪層的鋪層角，依據(jù)經(jīng)典層合板理論，得到細觀有限元模型每層鋪層的等效剛度矩陣，并依此對細觀有限元模型的剛度矩陣進行組裝，形成總剛度矩陣： C i j k l t = T t - 1 C i j k l H ( T t - 1 ) T ]]> C i j k l t o t a l ...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張銳，文立華，湯澤煒，盧穎，
申請(專利權)人：西北工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61
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