本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能預(yù)測方法，具體涉及一種機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、在工程領(lǐng)域中，了解材料的力學(xué)性能對材料的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。機(jī)織復(fù)合材料是一種由纖維和基體組成的復(fù)合材料，其中纖維以機(jī)織的方式交織在一起，然后通過基體材料進(jìn)行固化。機(jī)織復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度、低比重、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、建筑、體育用品等領(lǐng)域。準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能對于材料的性能評估和結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。機(jī)織復(fù)合材料是典型的各向異性材料，且機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不規(guī)則且不規(guī)律的孔隙存在以及纖維束之間的相互交錯、擠壓和干涉等問題都會對機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能造成影響，機(jī)織復(fù)合材料性能的準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜且困難。

2、現(xiàn)有的機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測方法一般是基于等效平均法，通過對代表性體積單元(representative?volume?element,簡稱rve)的力學(xué)性能研究得到材料的整體力學(xué)性能。但是以上方法一般都是基于機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的周期性得到機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能，實(shí)際上機(jī)織復(fù)合材料具有復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，機(jī)織復(fù)合材料成型過程中也很容易有差異產(chǎn)生，導(dǎo)致機(jī)織復(fù)合材料存在著顯著的非均勻性，這些非均勻性在基于rve的力學(xué)性能預(yù)測方法中難以準(zhǔn)確考慮，并給模型建立帶來諸多困難，導(dǎo)致機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)測出現(xiàn)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種基于纖維束走向中心線的機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測方法，該方法提高了建模效率，降低了建模難度。

2、本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測方法，包括：

3、步驟101，獲取機(jī)織復(fù)合材料的ct圖像；

4、步驟102，對ct圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理；

5、步驟103，對預(yù)處理后的圖像中的纖維束進(jìn)行分割，得到分割后的纖維束圖像；

6、步驟104，對分割后的纖維束圖像提取纖維束走向中心線；

7、步驟105，建立機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀幾何模型，并對幾何模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分；

8、步驟106，建立纖維束走向中心線與幾何模型單元之間的聯(lián)系；

9、步驟107，逐一計算每個單元的力學(xué)性能參數(shù)；

10、步驟108，計算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)響應(yīng)。

11、進(jìn)一步地，步驟101，獲取機(jī)織復(fù)合材料的ct圖像，還包括：ct圖像的分辨率至少為亞毫米級別。

12、進(jìn)一步地，步驟102，對ct圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，還包括：圖像預(yù)處理方法包括去除噪聲算法和增強(qiáng)對比度算法等。

13、進(jìn)一步地，步驟103，對預(yù)處理后的圖像中的纖維束進(jìn)行分割，得到分割后的纖維束圖像，還包括：對纖維束進(jìn)行分割可以應(yīng)用閾值分割、區(qū)域生長、邊緣檢測和基于深度學(xué)習(xí)的分割方法等分割方法中的一種或多種。

14、進(jìn)一步地，步驟104，對分割后的纖維束圖像提取纖維束走向中心線，還包括：提取纖維束走向中心線可以應(yīng)用骨架提取算法、細(xì)化算法、距離變換算法、中軸變換算法等算法中的一種或多種。

15、進(jìn)一步地，步驟106，建立纖維束走向中心線與幾何模型單元之間的聯(lián)系，還包括：設(shè)置計算距離的范圍；確立幾何模型單元中心點(diǎn)范圍內(nèi)包含的纖維束走向中心線；計算幾何模型單元中心點(diǎn)到范圍內(nèi)包含的纖維束走向中心線的距離。

16、進(jìn)一步地，步驟107，逐一計算每個單元的力學(xué)性能參數(shù)。復(fù)合材料的力學(xué)性能通常包括材料的剛度、強(qiáng)度、韌性、熱膨脹性等性能。以材料的剛度性能例，介紹本專利計算思路，計算公式為：

17、

18、[cm]為機(jī)織復(fù)合材料幾何模型單元的剛度矩陣；

19、i=1-n表示幾何模型單元中心點(diǎn)范圍內(nèi)包含的纖維束走向中心線；

20、fi表示纖維束走向中心線加權(quán)因子，它的值取決于纖維束走向中心線到幾何模型單元中心點(diǎn)的距離，用于確定每根纖維束走向中心線對幾何模型單元力學(xué)性能的影響；

21、[ci]為機(jī)織復(fù)合材料纖維束在自身局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣；

22、[ti]為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，用于將纖維束的剛度矩陣從局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系；

23、[ti]-1為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的逆矩陣，用于將纖維束的剛度矩陣從局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系。

24、其他的力學(xué)性能參數(shù)可以參照剛度參數(shù)計算方法，例如材料的熱膨脹系數(shù)：

25、

26、αm為機(jī)織復(fù)合材料幾何模型單元的熱膨脹系數(shù)；

27、i=1-n表示幾何模型單元中心點(diǎn)范圍內(nèi)包含的纖維束走向中心線；

28、fi表示纖維束走向中心線加權(quán)因子，它的值取決于纖維束走向中心線到幾何模型單元中心點(diǎn)的距離，用于確定每根纖維束走向中心線對幾何模型單元力學(xué)性能的影響，需要注意的是，不同力學(xué)性能參數(shù)的加權(quán)系數(shù)并不相同；

29、αf為機(jī)織復(fù)合材料纖維束的熱膨脹系數(shù)，通常由試驗(yàn)測定；

30、進(jìn)一步地，步驟108，計算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)響應(yīng)。宏觀力學(xué)響應(yīng)包括，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場、整體變形等，基于107獲取的單元力學(xué)性能參數(shù)，采用有限元法可直接計算得到。

31、本發(fā)明的有益效果為：通過建立機(jī)織復(fù)合材料幾何模型單元和纖維束走向中心線之間的聯(lián)系，計算機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能，采用獨(dú)立于細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的規(guī)整網(wǎng)格劃分，提高了機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的建模效率，降低了建模難度，方便機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)初始構(gòu)型設(shè)計時的預(yù)制體工藝設(shè)計，且方法易于實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)特征：

1.一種機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：步驟104，對分割后的纖維束圖像提取纖維束走向中心線，還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：步驟104，對分割后的纖維束圖像提取纖維束走向中心線，還包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：步驟106，建立纖維束走向中心線與幾何模型單元之間的聯(lián)系，還包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的力學(xué)性能預(yù)測方法，其特征在于：步驟107，計算幾何模型單元的力學(xué)性能，還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能預(yù)測方法，包括，獲取機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的細(xì)觀CT圖像；對CT圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理；對預(yù)處理后的圖像中的纖維束進(jìn)行分割，得到分割后的纖維束圖像；對分割后的纖維束圖像提取纖維束走向中心線；建立機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀幾何模型，并對幾何模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分；建立纖維束走向中心線與幾何模型單元之間的聯(lián)系；逐一計算每個單元的力學(xué)性能參數(shù)；計算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)響應(yīng)。本發(fā)明的機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能預(yù)測方法，采用獨(dú)立于細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的網(wǎng)格劃分，能夠提高建模效率，降低建模難度，易于實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳明柱,方光武,高希光,宋迎東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2