本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)示，具體涉及一種含孔隙隨機(jī)單胞的復(fù)合材料剛度預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其高比剛度、比強(qiáng)度、優(yōu)秀抗疲勞強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕性和耐高溫性等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各類輕重工業(yè)領(lǐng)域，尤其在航空航天領(lǐng)域的研究應(yīng)用廣泛。受制于復(fù)合材料自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)干擾、工藝偏差等因素影響，復(fù)合材料的成型件會(huì)出現(xiàn)不同程度的缺陷。

2、孔隙結(jié)構(gòu)缺陷是復(fù)合材料缺陷的一種，在復(fù)合材料固化成型的過程中，不可避免的會(huì)在材料基體部分中生成一定量的孔隙缺陷，此類成型缺陷會(huì)大大影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，當(dāng)孔隙率大小超過約1％時(shí)，就會(huì)相應(yīng)的對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能造成影響，其剛度變化與孔隙率變化呈線性關(guān)系，這一情況嚴(yán)重阻礙了復(fù)合材料構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用。

3、對(duì)于復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)報(bào)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式、本構(gòu)模型、數(shù)值分析模型一般不考慮孔隙對(duì)于力學(xué)性能的負(fù)面影響，而目前常用的復(fù)合材料孔隙生成方法，主要是通過在已建立復(fù)合材料模型的基礎(chǔ)上，在復(fù)合材料基體建模部分內(nèi)部離散的進(jìn)行一定數(shù)量的體積刪除，以此完成模擬復(fù)材孔隙的效果。然而此類方法生成的模型孔隙形狀無法保證為球形，不符合實(shí)際中復(fù)合材料孔隙多為球形、橢球形的事實(shí)，在進(jìn)行力學(xué)性能模擬的過程中容易造成應(yīng)力集中，因而發(fā)明一種符合事實(shí)的復(fù)合材料孔隙生成方法是進(jìn)一步細(xì)化精確復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報(bào)方法的必要過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種含孔隙隨機(jī)單胞的復(fù)合材料剛度預(yù)測(cè)方法，直接在材料內(nèi)部生成球形結(jié)構(gòu)，符合復(fù)合材料孔隙實(shí)際情況，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)復(fù)合材料的孔隙缺陷影響提供了一種新思路。

2、本發(fā)明具體是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

3、一種含孔隙隨機(jī)單胞的復(fù)合材料剛度預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

4、s1、根據(jù)復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維半徑和孔隙率，構(gòu)建復(fù)合材料的單胞纖維束模型；

5、s2、在滿足周期性邊界條件、復(fù)合材料孔隙結(jié)構(gòu)孔隙率滿足預(yù)報(bào)所需，及生成孔隙不與纖維結(jié)構(gòu)重疊的基礎(chǔ)上，在s1構(gòu)建的復(fù)合材料單胞纖維束模型中隨機(jī)生成球形孔隙結(jié)構(gòu)；

6、s3、通過有限元方法對(duì)s2構(gòu)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行剛度性能仿真測(cè)試，獲得復(fù)合材料的剛度與纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率變化關(guān)系的曲面數(shù)據(jù)，以對(duì)待預(yù)測(cè)復(fù)合材料的剛度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

7、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，s1中，根據(jù)單晶胞模型的基本大小，初步建立立方體模型，再進(jìn)一步通過預(yù)測(cè)對(duì)象復(fù)合材料特性，直接獲取目標(biāo)應(yīng)用對(duì)象的相關(guān)纖維體積分?jǐn)?shù)相關(guān)信息，并根據(jù)體積分?jǐn)?shù)及周期性邊界條件建模要求，對(duì)已建立的立方體模型進(jìn)行區(qū)域劃分，得到區(qū)域分化清晰的復(fù)合材料單胞纖維束模型。單胞纖維束模型為正方體，單胞纖維束模型的大小由纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維半徑?jīng)Q定，根據(jù)纖維體積分?jǐn)?shù)大小及周期性邊界條件要求，對(duì)模型的纖維部分及基體部分進(jìn)行分割，得到復(fù)合材料的單胞纖維束模型。

8、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，s2中，根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的孔隙率大小和球體直徑大小，計(jì)算相應(yīng)孔隙率的孔隙球體數(shù)，并在材料基體內(nèi)部隨機(jī)生成球形間隙，在材料基體內(nèi)部隨機(jī)生成球形間隙，需要滿足以下條件：1)生成孔隙滿足隨機(jī)分布律要求；2)生成孔洞間隙的位置需滿足周期性邊界條件的要求，不影響復(fù)合材料相鄰單胞之間的邊界互補(bǔ)關(guān)系；3)孔隙結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)在復(fù)合材料樹脂基體內(nèi)部。滿足孔隙生成條件的建模才會(huì)被成功生成。

9、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，使生成的球形孔隙滿足條件的方法為：

10、劃分模型區(qū)域?yàn)榈谝活悈^(qū)域、第二類區(qū)域、第三類區(qū)域與第四類區(qū)域；

11、其中第一類區(qū)域?yàn)榍蛐慰紫渡傻哪繕?biāo)區(qū)域，包括模型的劃分的基體部分；

12、第二類區(qū)域?yàn)槔w維區(qū)域，為模型的纖維束部分的內(nèi)部區(qū)域；

13、第三類區(qū)域則為重疊區(qū)域，處于基體部分內(nèi)部，但球形結(jié)構(gòu)與纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生重疊的區(qū)域；

14、第四類區(qū)域?yàn)檫吔鐓^(qū)域，該區(qū)域生成的小球會(huì)與模型邊界位置發(fā)生重疊；

15、所述球形孔隙結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)于第一類區(qū)域，避免在第二類區(qū)域、第三類區(qū)域和第四類區(qū)域內(nèi)生成小球。

16、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，球形孔隙結(jié)構(gòu)不生成在第二類區(qū)域的方法：判斷球形結(jié)構(gòu)球心位置坐標(biāo)與纖維結(jié)構(gòu)軸線的垂直距離與兩者半徑之和的關(guān)系；

17、判斷方法為：建立的單胞纖維束模型滿足周期性邊界條件下，纖維軸線位置分別位于模型的正中心，及另外四條與中心軸線平行的立方體的棱，得知五條軸線的空間位置。

18、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，生成孔隙與中心纖維束不產(chǎn)生重合，方法為：先隨機(jī)的在立方體范圍內(nèi)假設(shè)一個(gè)球心坐標(biāo)(x1,y1,z1)，并計(jì)算所得坐標(biāo)與空間中對(duì)應(yīng)軸線的具體距離δd1；將其與兩半徑大小r1+r2進(jìn)行比較，當(dāng)(r1+r2)2≥δd12時(shí)，可知該孔隙生成于第二類區(qū)域范圍中，因而舍棄該球心坐標(biāo)。

19、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，球心坐標(biāo)不取在第三類區(qū)域，方法為：額外在中心線上取一點(diǎn)坐標(biāo)為(x2,y2,z2)，取兩點(diǎn)之間的空間距離為δd2，同樣與兩半徑大小之和進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)r1+r2≥δd2時(shí)，可知該孔隙位置生成于第三類區(qū)域范圍，因而舍棄該球心坐標(biāo)，僅保留符合條件的球心坐標(biāo)生成孔隙。

20、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，生成球形孔隙不生成在第四類區(qū)域，方法為：保證球形孔隙位置處于正方形內(nèi)部，且不與正方體建模邊界產(chǎn)生重疊，在規(guī)定空隙球心各方向坐標(biāo)的隨機(jī)取值范圍中需滿足一定條件，在xi、yi、zi的隨機(jī)取值上，均需要需足其取值范圍不能超出正方體邊長(zhǎng)l與空隙直徑di的差值，為方便設(shè)置坐標(biāo)，在xi、yi方向，即垂直于纖維束方向上，滿足其取值范圍在(-l/2+ri，l/2-ri)區(qū)間內(nèi)，在zi方向，即平行于纖維束方向上，滿足其取值范圍在(ri，l/2-ri)區(qū)間內(nèi)。

21、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，在孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)際生成過程中，隨機(jī)在設(shè)定區(qū)間內(nèi)取得球心坐標(biāo)，生成孔隙后，分別檢驗(yàn)其生成位置是否與五條纖維發(fā)生重疊，在排除其生成于第二類區(qū)域、第三類區(qū)域和第四類區(qū)域范圍的可能后，保留其球心位置。

22、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，生成球形孔隙結(jié)構(gòu)的半徑r可通過程序自行設(shè)置，具體從應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)；

23、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，在每成功生成孔隙結(jié)構(gòu)后進(jìn)行一次數(shù)字累加，當(dāng)已生成的孔隙數(shù)與通過體積分?jǐn)?shù)計(jì)算的孔隙數(shù)數(shù)量相等時(shí)，結(jié)束循環(huán)并完成孔隙部分的建模。

24、在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，s3中，根據(jù)網(wǎng)格大小參數(shù)為依據(jù)，對(duì)所建模型進(jìn)行符合有限元計(jì)算規(guī)律的網(wǎng)格劃分，模擬多尺度力學(xué)性能結(jié)果，即預(yù)測(cè)對(duì)象復(fù)合材料在不同方向上力學(xué)性能模量的具體數(shù)值。

25、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

26、本發(fā)明從復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，進(jìn)一步細(xì)化了基體中孔隙缺陷對(duì)單向復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響，與傳統(tǒng)的孔隙生成方法相比，本發(fā)明方法選擇直接在材料內(nèi)部生成球形結(jié)構(gòu)，避免了在材料內(nèi)部消除一定數(shù)量小型體積的傳統(tǒng)方法所造成應(yīng)力集中的缺陷，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)復(fù)合材料的孔隙缺陷影響提供了一種新思路。