预测薄编织复合材料ABD矩阵的中尺度计算方法及其验证方法与流程

本发明涉及复合材料性能分析，尤其涉及一种预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法及其验证方法。

背景技术：

1、复合材料由于其显著的机械性能，如高刚度和强度，在航空航天、汽车和土木工程部件等各种高性能结构设计中越来越受欢迎。单向层压板和编织复合材料是目前常用的两种纤维增强复合材料，都有各自的特点和优点。单向层压板由多层纤维组成，每一层的所有纤维都朝向相同的方向，并嵌入在一种基质材料中。编织复合材料是由纵横交错的纤维纱线组成，形成了一种多方向纤维的编织状结构。与单向层压板相比，编织复合材料有几个优点，包括增强机械各向同性、提高抗冲击性和优越的损伤耐受性。然而，这些好处也伴随着权衡，比如增加的制造复杂性和更高的成本。与单向层压板相比，编织复合材料的刚度行为建模也是一项相当复杂的任务。

2、abd矩阵是用于描述复合材料层合板弹性属性的刚度矩阵，是层合板结构力学分析的基础。经典层合板理论对单向增强碳纤维复合材料abd矩阵的预测精度已经得到了验证，但是在编织复合材料上存在明显误差。一种基于中尺度rve和fea的多尺度均匀化方法逐渐成为了abd矩阵预测的主流方法，经过试验验证，该方法可以准确预测编织复合材料的abd矩阵。但实现这一方法的过程涉及了诸多复杂环节：数据传递、fea、后处理等，使其难以直接应用于任意形式的编织复合材料。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法及其验证方法，用于简化编织复合材料的abd矩阵的计算过程和验证过程。

2、本发明公开了一种预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

3、通过复合材料建模软件生成用于编织复合材料的中尺度rve，包括：获取相邻经纱之间与相邻纬纱之间的空隙大小s、中尺度rve的长度l、宽度w和高度h，从而获取编织复合材料的编织形式；根据所述编织形式选取周期性的中尺度rve；拍取编织复合材料的截面显微图，根据所述截面显微图来确定每一根纱线的截面形状、尺寸以及纱线起伏路径，从而获取纱线的真实几何特征；根据纱线的所述真实几何特征对中尺度rve进行调整，以获得贴近实际情况的中尺度rve模型；将生成的所述中尺度rve导入abaqus有限元分析软件中；在所述abaqus有限元分析软件中运行abd矩阵插件，在所述abd矩阵插件中输入的材料参数，并为纱线指定材料方向；所述材料参数包括纱线参数和基体参数；通过所述abd矩阵插件设置周期性边界条件，以对所述中尺度rve施加6种周期性边界条件，从而实现所述中尺度rve的6种变型；通过所述abaqus有限元分析软件分析所述中尺度rve的6种变型的变型数据，从而计算得到所述薄编织复合材料abd矩阵。

4、优选的，所述在所述abaqus有限元分析软件中运行abd矩阵插件，在所述abd矩阵插件中输入的材料参数，并为纱线指定材料方向还包括：在所述abd矩阵插件中选择与所述中尺度rve的网格划分形式相对应的有限元分析计算的求解器；所述网格划分形式包括体积网格、体素网格和干网格；当为所述干网格形式时，通过两纱线表面上相互接触的节点之间的所述刚度值来使所述相互接触的节点之间产生关联关系，从而近似纱线表面之间的胶粘行为。

5、优选的，所述对所述中尺度rve施加6种周期性边界条件，从而实现所述中尺度rve的6种变型包括：在中尺度rve四周表面建立若干个参考点rp，所述若干个参考点rp形成所述中尺度rve的中面边缘；上表面边缘在所述参考点rp为基点的周期性网格中的单元节点定义为上节点，下表面边缘在以所述参考点rp为基点的周期性网格中的单元节点定义为下节点；将同一周期性网格中的所述参考点rp、所述上节点、所述下节点使用mpcbeam单元进行刚性链接，实现节点与rp所有方向自由度耦合；对所述若干个参考点rp分别施加6种周期性边界条件，以对所述中尺度rve的中面进行变形加载，实现对整个中尺度rve的变形控制。

6、优选的，所述对所述中尺度rve施加6种周期性边界条件，从而实现所述中尺度rve的6种变型还包括，若所述上节点/所述下节点偏移所述中尺度rve的四周表面，则：通过所述abaqus有限元分析软件识别出中尺度rve的中体对角线的两顶点坐标(xmin,ymin,zmin)和(xmax,ymax,zmax)；通过所述abaqus有限元分析软件建立一个长方体区域，所述长方体区域的中体对角线的两顶点坐标为(xmin-tx,ymin-ty,zmin-tz)和(xmax+tx,ymax+ty,zmax+tz)，根据所述长方体区域的中体对角线的两顶点坐标确定所述长方体区域的边界；所述长方体区域内的所有网格节点形成第一集合；其中n为容差值；将所述第一集合内的所有网格节点根据x坐标/y坐标的大小进行排序，在x坐标/y坐标相同的节点中找出上、下端点，将所述上、下端点的中点设为参考点rp，将x坐标/y坐标相同的节点分别与所述参考点rp之间使用mpc beam单元进行刚性链接。

7、本发明还提供了一种薄编织复合材料abd矩阵的验证方法，用于验证上述的预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法，包括：采用所述预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法分别计算若干种不同编织复合材料的abd矩阵；所述若干种不同编织复合材料的abd矩阵包括双层平纹编织复合材料、多层平纹编织复合材料、缎纹编织复合材料和三维正交编织复合材料；分别获取所述若干种不同编织复合材料的abd矩阵的验证算例；将每种的编织复合材料的所述验证算例的abd矩阵、与采用所述预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法的abd矩阵进行对比，获取验证结果。

8、优选的，当为双层平纹编织复合材料时：所述验证算例包括：获取纱线与基体的材料参数、以及用于构建中尺度rve的几何参数，从而建立中尺度rve；所述纱线的材料参数包括纱线间距；所述采用所述预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法分别计算若干种不同编织复合材料的abd矩阵包括：所述纱线间距为一个较小且不等于0的值；所述纱线起伏路径的控制点的坐标(z,x)：其中t＝b，d＝4，y＝0，δl为纱线的长度。

9、优选的，当为多层平纹编织复合材料时：所述将每种的编织复合材料的所述验证算例的abd矩阵、与采用所述预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法的abd矩阵进行对比包括：对多层平纹编织复合材料的不同层数、不同铺层形式的abd矩阵分别进行验证；所述不同层数、不同铺层形式包括[45]2、[45]4、[45/0/45]、[45/45/0]s共4种铺层形式。

10、优选的，所述对多层平纹编织复合材料的不同层数、不同铺层形式的abd矩阵分别进行验证包括：计算得到abd矩阵后，将每一个abd矩阵使用应力、应变变换公式进行45°旋转，从而获取[45]2、[45]4、[45/0/45]、[45/45/0]s共4种铺层形式的abd矩阵。

11、优选的，当为三维正交编织复合材料时：所述验证算例包括：建立三维正交编织复合材料平板的有限元模型；在所述有限元模型中根据周期性规律选取结构基因组；采用结构基因组力学方法计算三维正交编织复合材料的对照abd矩阵；将所述对照abd矩阵输入壳单元简化有限元模型中，使用求解器进行线性有限元分析，获取三维正交编织复合材料平板的对照宏观结构响应；所述采用所述预测薄编织复合材料abd矩阵的中尺度计算方法分别计算若干种不同编织复合材料的abd矩阵包括：使用与所述结构基因组相同的几何参数创建中尺度rve有限元模型，并计算待验证abd矩阵；将所述待验证abd矩阵输入壳单元简化有限元模型中，使用求解器进行线性有限元分析，获取三维正交编织复合材料平板的待验证宏观结构响应；通过所述待验证宏观结构响应与所述对照宏观结构响应的吻合程度来验证所述待验证abd矩阵。

12、优选的，所述若干种不同编织复合材料的abd矩阵还包括多轴编织复合材料和单向增强碳纤维层合板。

13、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

14、1.本发明在abaqus有限元分析软件中安装自定义的abd矩阵插件，从而可以通过abd矩阵插件自动设置周期边界条件，依次应用6个预定义的加载条件，并计算出层压板的abd矩阵作为最终输出；本发明操作简单，整体方法集成度高，避免了用户进一步编程和分析的需要，从而节省了时间和精力；避免用户在繁琐的多尺度建模、数值计算和数据处理等环节上的重复操作；

15、2.为了验证本发明的预测的薄编织复合材料abd矩阵的正确性，本发明还提供了一种abd矩阵的验证方法，以验证插件amwc在平纹编织、缎纹编织、三维正交编织、多轴编织以及单向增强碳纤维层合板的abd矩阵计算上的正确性，通过试验或者其他均匀化理论对准确性进行了验证。