縫隙受力示意圖；其中：(a)為界面層填充材料受力圖， (b)為中間縫隙力傳遞示意圖，6-1為界面層中的填充材料；
[0051] 圖6(a)是層疊碳纖維復合材料零件三維結構圖，圖6(b)為在垂直碳布層的方向 三層單胞結構應力分布圖。
[0052] 圖7為計算流程框圖。
【具體實施方式】
[0053] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0054] 針對碳纖維復合材料疊層結構的特殊性，本發明在層疊碳纖維復合材料結構分 析、設計與加工制造工藝中，重新對碳纖維復合材料層疊微觀單胞進行結構設計、性能描 述、評價和應用，構建面向層疊碳纖維復合材料的多邊形的周期性微觀單元，并據此提出層 疊碳纖維復合材料結構的力學性能分析與設計的新方法，可以揭示碳纖維復合材料實際載 荷傳遞規律和碳纖維撥出缺陷等現象，以及探索其微觀單元的相互作用規律；從而彌補傳 統碳纖維復合材料的GMC、HFGMC和VCFEM模型的計算精度不足，縮短目前我國層疊復合材 料預制體制造工藝方法與國際先進水平之間的差距。
[0055] ( -）層疊碳纖維復合材料的三層單胞結構微觀單元建立
[0056] (1)層疊碳纖維復合材料的結構由一層層碳布層疊而成，每一層的碳布層上下表 面具有由其它材料填充組成的兩個界面層，如圖1所示，該模型結構有三層，中間為碳布 層，碳布層上下表面具有由其它材料填充組成的兩個界面層。
[0057] (2)每一個碳布層都是由碳纖維平面編織而成，形成多邊形的周期性微觀結構，該 多邊形的邊由碳纖維組成，不同方向的碳纖維編織后形成中間縫隙，如圖2所示。所述多邊 形的周期性微觀結構是由碳纖維平面編織而成，編織的多邊形中間形成中間縫隙。每一層 的碳布層上下表面具有由其它材料填充組成的兩個界面層。在碳布層平面內不同方向的碳 纖維編織后形成的中間縫隙由其它材料填充，使得碳布層和兩個界面層相連接，在兩個界 面層和中間縫隙中由其它材料填充后使得多個碳布層相連接，如圖3所示，即在界面層和 中間縫隙中有填充材料，和碳布層共同構成三層單胞結構微觀單元。
[0058] 在力學性能方面，由于碳纖維的軸向拉應力強度最大，在碳布層平面內，不同方向 的碳纖維承擔不同方向的拉應力；在界面層和中間縫隙中，填充材料各向同性，其拉伸強度 遠小于碳纖維的拉伸強度，界面層將受到的表面分布壓力傳遞給碳布層。
[0059] (3)在兩個層疊碳纖維復合材料的三層單胞結構微觀單元之間，在碳布層平面內 由組成多邊形的邊的碳纖維進行連接，主要應力的傳遞方向沿著碳纖維的軸向方向，碳纖 維的徑向方向傳遞較小的應力和應變，如圖4所示。由于碳纖維的軸向拉應力強度最大，在 碳布層平面內，不同方向的碳纖維承擔不同方向的拉應力，即碳纖維只承擔沿碳纖維軸向 方向的拉應力，不同方向的碳纖維承擔的多個拉應力形成的拉應力合力矢量和外加負載大 小相等、方向相反；在碳布層垂直方向由界面層進行連接；由于不同方向上的力學特征不 同，這種層疊碳纖維復合材料的三層單胞結構微觀單元表現為各向異性，如圖5所示。每一 個界面層中的其它材料是指粘接膠、任意形狀的碳纖維等填充材料，這些填充材料一方面 起到連接碳布層的作用，另一方面將界面層承擔的分布載荷傳遞給碳布層。
[0060] (二）針對每一個三層單胞結構微觀單元的力學性能分析，由于碳纖維的軸向拉 應力強度最大，在碳布層平面內，不同方向的碳纖維承擔不同方向的拉應力，所有應力矢量 與碳纖維作用面積乘積之和與外力矢量相平衡；在垂直碳布層平面，表現為表面分布應力 由碳布層平面和界面層共同地均勻承擔，因此，層疊碳纖維復合材料的三層單胞結構微觀 單元的力學性能就是根據層疊碳纖維的特征來建立的，首先，計算層疊碳纖維復合材料的 三層單胞結構微觀單元的力學性能；然后，計算碳布層和界面層對應于三層單胞結構微觀 單元的多邊形區域的力學性能，具體如下：
[0061] (1)三層單胞結構的方向1是指主要負載力方向，其力學性能方程：
[0063] 式1中，E為彈性模量；上標α為三層單胞結構微觀單元在XOY平面的投影點O1 和原點0連線OOr^x軸的夾角，上標β為三層單胞結構微觀單元在Z軸的投影點O2和原 點0連線00 2與Z軸的夾角，上標k為碳布層的層數序號；下標f、m和b分別為碳纖維束、 界面層和三層單胞結構微觀單元，m = ml或m2, ml、m2為碳布層上、下表面處的界面層；下 標1為碳纖維束主要負載力方向；下標2為碳纖維束次要負載力方向；P為碳纖維束體積 含量，I-P為界面層填充材料體積含量；Θ為碳纖維束和碳布層內負載力F方向的夾角；η 為一個三層單胞結構微觀單元中編織碳纖維束的數量；以下相同。
[0064] 式1說明碳纖維束在不同方向上表現為各向異性，不同方向分布的碳纖維束承擔 的負載取決于碳纖維束分布方向和負載作用方向的夾角。
[0065] (2)三層單胞結構的方向2是指次要負載力方向，其力學性能方程：
[0067] 式2中符號同上。
[0068] 式2說明碳纖維束在不同方向上表現為各向異性，不同方向分布的碳纖維束承擔 的負載取決于碳纖維束分布方向和負載作用方向的夾角。
[0069] (3)三層單胞結構的方向3是指碳纖維束垂直負載力方向，其力學性能方程：
[0071] 式3中符號同上，下標3為碳纖維束垂直負載力方向。
[0072] 式3說明在三層單胞結構微觀單元中在垂直于碳布層平面方向上碳布層和兩個 界面層構成串聯分布，均勻地分擔來自于層疊碳纖維復合材料內部和外部的分布力。
[0073] (4)三層單胞結構的外力平衡方程：
[0078] 式4~7中，F為碳布層平面內的負載力，在碳布層平面內其方向和三層單胞結構 微觀單元的方向1的夾角為Θ ;PJPP。為碳布層平面的相對內界面層和外界面層承受的分 布載荷；Re為層疊碳纖維復合材料和β有關的半徑；t k為層疊碳纖維復合材料中第k層三 層單胞結構微觀單元的厚度；Kfi為層疊碳纖維復合材料中和β有關的碳布層總層數，其它 符號同上。
[0079] (5)三層單胞結構的應變連續方程：
[0083] 式8~10中符號同上。
[0084] 式8~9說明碳纖維和填充材料處于負載平面內，在負載的作用下，碳纖維和填充 材料共同承受負載，從而產生相同的變形；由于碳纖維的彈性模量較大，因此，碳纖維承受 的力也較大，相反填充材料承受的力較小。式10說明在負載作用下，兩個界面層和碳布層 都產生變形，在方向3上這些變形產生了疊加。
[0085] (6)三層單胞結構的應力連續方程：
[0089] 式11~13中的符號同上。
[0090] 式11~13說明，在方向1和2上三層單胞結構微觀單元在不同方向上按照當量 彈性模量的大小，承受的負載產生的應力和應變之間存在著比例關系，在方向3上這些應 力大小相同。
[0091] (7)碳布層的應力方程：
[0092] 由于碳纖維屬于各向異性材料，因此，其碳布層的應力方程如下：
[0096] 式14~16中，符號同上。
[0097] 在碳布層平面內，式14~15說明碳纖維在負載的作用下，在碳纖維和填充材料相 同變形條件下碳纖維承受的力較大。式16說明在負載作用下，碳布層產生的變形等于三層 單胞結構微觀單元在方向3上碳纖維的彈性模量除以這個方向的應力。
[0098] (8)界面層的應力方程：
[0099] 由于填充材料屬于各向同性材料，因此，其應力方程如下：
[0103] 公式17~19中，符號同上。
[0104] 在界面層平面內，式17~18說明填充材料在負載的作用下，在碳纖維和填充材料 相同變形條件下填充材料承受的力較小。式19說明兩個界面層在方向3上負載作用產生 的變形等于三層單胞結構微觀單元在方向3上填充材料的應力除以這個方向的彈性模量。
[0105] 下面