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专利号: 2021107477740
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种单向复合材料的弯曲刚度预测方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1、确定所要预测的复合材料各部分的性能参数,以及相应复合材料在三点弯曲试验中试验件的尺寸;

步骤2、确定所建立的细观单胞有限元模型的各部分尺寸,以及相应的各部分材料参数;

步骤3、确定对单胞模型所施加的周期性边界条件,保证细观单胞模型的数值模拟下应力连续和变形一致;

步骤4、确定对细观单胞模型施加的约束和载荷;

步骤5、确定施加载荷求解后细观单胞模型的应力应变场,确定施加载荷处的法向截面合力与位移变形量;

步骤6、确定细观单胞模型的弯曲刚度值;

步骤7、提出基于细观单胞的弯曲刚度修正公式,具体形式如下:

上式中,E为单向复合材料等效弯曲刚度,E1为细观单胞模型的等效弯曲刚度值,l为细观单胞模型的长度,h为细观单胞模型的高度,B为单向复合材料宏观试验件的宽度,b为细观单胞模型的宽度,n为单向复合材料宏观试验件与细观单胞模型的宽度比,Δp为细观单胞模型弯曲载荷下线弹性变形阶段的载荷增量,Δf为细观单胞模型弯曲载荷下线弹性变形阶段的位移变形量;

步骤8、确定基于细观单胞模型的弯曲刚度修正公式计算下,预测出单向复合材料的等效弯曲刚度;并且预测无界面层情况下复合材料的弯曲刚度值,二者分别与试验值进行对比,分析误差,证明预测模型准确可靠。

2.根据权利要求1所述的单向复合材料弯曲刚度预测方法,其特征在于:所述步骤2中确定细观单胞有限元模型尺寸,需要分别确定纤维、基体和界面厚度的尺寸,纤维部分为纤维单丝集结成的纤维束,则纤维直径为:式中:R为单胞模型中纤维直径,r为纤维单丝直径,n为纤维单丝数量;

界面厚度为:

式中:R为单胞模型中纤维直径,r为纤维单丝直径,n为纤维单丝数量,δ1为单胞模型界面厚度,δ2为纤维单丝界面厚度;

根据纤维体积分数计算出基体外形尺寸为:

式中: 为纤维体积分数,R为纤维直径,a为单胞宽度和高度;

定义纤维为各相异性材料,基体和界面为各向同性材料;确定纤维的弹性模量、剪切模量和泊松比,确定基体的弹性模量和泊松比,确定界面的弹性模量和泊松比,定义界面的弹性模量为10%的纤维的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的单向复合材料弯曲刚度预测方法,其特征在于:所述步骤3中的周期性边界条件为对单胞模型宽度方向的左右两面节点耦合,约束方程为:式中:U、V和W分别为节点沿x、y和z方向上的位移, 为平均应变,a为单胞模型的宽度。

4.根据权利要求1所述的单向复合材料弯曲刚度预测方法,其特征在于:所述步骤4中,仿照三点弯曲试验,对单胞模型两侧底部全约束,顶部中央施加位移载荷,位移载荷大小与试验值一致。

5.根据权利要求1所述的单向复合材料弯曲刚度预测方法,其特征在于:根据在所述步骤5中提取求解后施加载荷处的法向截面合力作为Δp与位移变形量作为Δf,带入到计算式中,求出单胞的弯曲刚度值,所述步骤6中的单胞模型弯曲刚度计算公式为:式中:E1为单胞弯曲刚度,l为跨距,b为单胞宽度,h为单胞高度,Δp为线弹性变形阶段的载荷增量,Δf为线弹性变形阶段的位移增量。

6.根据权利要求1所述的单向复合材料弯曲刚度预测方法,其特征在于:所述步骤7中,根据提出的弯曲刚度修正公式,将单胞的弯曲刚度值E1、求得的复合材料宏观试验件与单胞模型的宽度比n带入到修正公式,计算得到单向复合材料的等效弯曲刚度。

7.根据权利要求1所述的单向复合材料弯曲刚度预测方法,其特征在于:所述步骤8中,选取两种不同的单向复合材料的试验值,分别为碳/碳复合材料和碳/碳化硅复合材料,将有界面和无界面模型的预测结果与试验值对比;建立的纤维‑界面‑基体模型误差值在5%以内,说明数值计算与修正公式合理;且误差值小于无界面层模型,说明所建模型更合理,预测更为准确可靠。