一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗確定材料性能參數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗確定材料性能參數(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，使用有限元軟件對材料的雙軸試驗進行模擬，同時確定試驗過程中材料的破壞機理及過程。將有限元軟件模擬的結(jié)果與雙軸試驗機獲得的真實數(shù)據(jù)進行對比，當(dāng)兩者幾乎完全吻合時，表明該方法有效可行，同時表明使用該方法模擬的材料破壞過程也相當(dāng)可信。本發(fā)明操作簡單，可重復(fù)性強，對編織復(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中不能觀察到的材料微觀破壞機理及過程。
【專利說明】一種使用有限元方法模擬編織復(fù)合材料雙軸試驗確定材料性能參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于試驗測定材料參數(shù)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種編織復(fù)合材料的雙軸試驗參數(shù)測定方法。
【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)域得到了越來越多的應(yīng)用，相應(yīng)地增加了用科學(xué)的方法來表征材料性能的需要，以此來指導(dǎo)材料的設(shè)計和運用，而使用試驗的方法來準(zhǔn)確確定材料性能參數(shù)，無疑是這種需要中重要的基礎(chǔ)性工作。編織復(fù)合材料的一個具體例子為3D編織復(fù)合材料，其不僅在X、Y兩個方向上有增強的纖維，而且在Z方向也有增強的纖維棒，以此來對材料整個空間進行加強，纖維與基本之間采用特殊的工藝來加強兩種不同材料之間的界面，使之構(gòu)成一個整體性很強的材料。
[0003]編織復(fù)合材料力學(xué)性能的測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)試驗機上進行簡單力學(xué)性能試驗，以此來確定材料的單軸拉伸模量、泊松比、強度；單軸壓縮模量、泊松比、強度；剪切模量、強度。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，因此測量材料的雙軸力學(xué)性能顯得尤為重要。但材料雙軸試驗形式多樣，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)確地通過雙軸試驗來表征材料的性能成為新的挑戰(zhàn)。而雙軸試驗數(shù)據(jù)的獲得無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大的虛擬試驗技術(shù)，將實驗室中真實的試件在軟件中進行建模操作，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)，完成真實材料模型在虛擬試驗中的重構(gòu)，而且有限元軟件業(yè)還有優(yōu)秀的二次開發(fā)能力，一方面可以通過Python軟件對有限元的數(shù)據(jù)文件進行直接操作，編寫一個函數(shù)對具有相同特征的數(shù)據(jù)進行批量化處理，另一方面還可以通過編寫Fortran用戶子程序來考慮復(fù)雜受力條件下的損傷，最后將真實材料的受力情況施加給材料，通過軟件求解來得到模擬結(jié)果。
[0005]編織復(fù)合材料很多是脆性材料，在試驗加載過程中，表面出現(xiàn)初始裂紋到最終破壞時間短暫，很難觀測到破壞過程，僅可以觀察破壞后的形貌，使用有限元方法進行模擬不僅可以模擬材料的試驗獲得的材料性能數(shù)據(jù)，而且可能模擬材料的破壞過程，特別地可以模擬無法直接觀察到的材料內(nèi)部損傷、破壞過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對編織復(fù)合材料復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)性能參數(shù)的測試與表征，本發(fā)明提出了一種用于測定參數(shù)的方法，即:基于偏光顯微鏡技術(shù)聯(lián)合實驗測量與有限元軟件模擬的編織復(fù)合材料雙軸力學(xué)性能試驗性能參數(shù)測定方法。[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(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、使用偏光顯微鏡對編織復(fù)合材料進行觀測，利用其周期性，確定其最小的代表性體積單元，并對若干個代表性體積單元內(nèi)的纖維束和基體的尺寸大小和空間分布情況進行準(zhǔn)確測量，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)文獻和經(jīng)驗進行設(shè)定，完成材料屬性的賦予；(3)編寫Python軟件操作Abaqus生成的inp文件,編寫方程,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Abaqus自帶的用戶子程序USDFLD程序?qū)煞N不同材料及所對應(yīng)的破壞準(zhǔn)則改造成統(tǒng)一的形式；(4)模型在加載過程中當(dāng)模型的單元應(yīng)力達到損傷判據(jù)時，對單元的材料屬性進行不同比例、一定程度的折減后繼續(xù)進行迭代計算；
(5)使用Abaqus自帶的狀態(tài)函數(shù)SDV表征材料破壞機理；(6)最后完成對各種復(fù)雜載荷情況下的雙軸試驗的模擬，得到模擬的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0012]四、在雙軸試驗機上對編織復(fù)合材料進行雙軸試驗，進行不同載荷比的拉-拉、壓-壓、拉-壓、拉-剪、壓-剪試驗，確定試驗數(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)的雙軸試驗真實數(shù)據(jù)進行對比，調(diào)整步驟三中根據(jù)文獻和經(jīng)驗確定的參數(shù)，使有限元模擬的結(jié)果逐漸接近真實數(shù)據(jù)；
[0014]六、當(dāng)模擬的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)接近，差異小于5 %時，且保證狀態(tài)函數(shù)SDV所表示的破壞形式與真實破壞相同時，表明該方法有效可行，同時表明使用該方法模擬的材料破壞過程也相當(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，使用有限元軟件對材料的雙軸試驗進行模擬，同時確定試驗過程中材料的破壞機理及過程。將有限元軟件模擬的結(jié)果與雙軸試驗機獲得的真實數(shù)據(jù)進行對t匕，當(dāng)兩者幾乎完全吻合時，表明該方法有效可行，同時表明使用該方法模擬的材料破壞過程也相當(dāng)可信。本發(fā)明操作簡單，可重復(fù)性強，對編織復(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中不能觀察到的材料微觀破壞機理及過程，能夠使用模擬的方法得到實驗中無法直接進行測量的材料性能參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為偏光顯微鏡觀測到的材料形貌圖；
[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為對材料進行1:1比例的雙向壓縮力學(xué)性能測試試驗；
[0021]圖6為經(jīng)過合理化參數(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-壓條件下真實數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進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)明的保護范圍中。
[0025]【具體實施方式】一:本實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，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、使用偏光顯微鏡對編織復(fù)合材料進行觀測，利用其周期性，確定其最小的代表性體積單元，并對若干個代表性體積單元內(nèi)的纖維束和基體的尺寸大小和空間分布情況進行準(zhǔn)確測量，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
度K、壓縮強度校等參數(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、
基體拉伸和壓縮強度<、K等參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻和經(jīng)驗進行設(shè)定，完成材料屬性的賦予，接著編寫Python軟件操作Abaqus生成的inp文件,編寫方程,施加周期性邊界條件，同時把纖維/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，這樣就可以通過代表性體積單元來反映整體的性能，同時編寫Abaqus自帶的用戶子程序USDFLD，為表征損傷，采用國際上通用的準(zhǔn)則，當(dāng)基體為脆性材料時，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，如樹脂，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，模型在加載過程中當(dāng)模型的單元應(yīng)力達到損傷判據(jù)時，對單元的材料屬性進行不同比例、一定程度的折減(一般取90% )后繼續(xù)進行迭代計算，為使兩種不同的材料在USDFLD—個程序中使用，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)則類似時，采用參數(shù)化分別對兩種材料的參數(shù)賦不同的值，當(dāng)纖維準(zhǔn)則中出現(xiàn)基體所沒有的準(zhǔn)則時，將纖維的準(zhǔn)則整體乘以一個參數(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、使用偏光顯微鏡對編織復(fù)合材料進行觀測，利用其周期性，確定其最小的代表性體積單元，并對若干個代表性體積單元內(nèi)的纖維束和基體的尺寸大小和空間分布情況進行準(zhǔn)確測量，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)文獻和經(jīng)驗進行設(shè)定，完成材料屬性的賦予；(3)編寫Python軟件操作Abaqus生成的inp文件,編寫方程,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Abaqus自帶的用戶子程序USDFLD程序?qū)煞N不同材料及所對應(yīng)的破壞準(zhǔn)則改造成統(tǒng)一的形式；(4)模型在加載過程中當(dāng)模型的單元應(yīng)力達到損傷判據(jù)時，對單元的材料屬性進行不同比例、一定程度的折減后繼續(xù)進行迭代計算；(5)使用Abaqus自帶的狀態(tài)函數(shù)SDV表征材料破壞機理；(6)最后完成對各種復(fù)雜載荷情況下的雙軸試驗的模擬，得到模擬的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)； 四、在雙軸試驗機上對編織復(fù)合材料進行雙軸試驗，進行不同載荷比的拉-拉、壓-壓、拉-壓、拉-剪、壓-剪試驗，確定試驗數(shù)據(jù)及觀察破壞宏觀形貌； 五、將模擬的結(jié)果同相應(yīng)的雙軸試驗真實數(shù)據(jù)進行對比，調(diào)整步驟三中根據(jù)文獻和經(jīng)驗確定的參數(shù)，使有限元模擬的結(jié)果逐漸接近真實數(shù)據(jù)； 六、當(dāng)模擬的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)接近，差異小于5%時，且保證狀態(tài)函數(shù)SDV所表示的破壞形式與真實破壞相同時，表明該方法有效可行，同時表明使用該方法模擬的材料破壞過程也相當(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)基體所沒有的準(zhǔn)則時，將纖維的準(zhǔn)則整體乘以一個參數(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，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，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】G06F17/50GK103970969SQ201410238761
【公開日】2014年8月6日 申請日期: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 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)