復合材料的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及復合材料結構設計領域，特別涉及一種復合材料結構的優化設計方 法。
【背景技術】
[0002] 復合材料是輕量化工業產品的首選材料，其優良的輕質高強、抗腐蝕、耐疲勞特性 與其內部細觀結構密切相關。在復合材料產品開發和應用的諸多領域中，復合材料結構設 計占著極為重要的地位。特別是在航空航天、交通運輸、石油化工和環保防腐等工業中，具 有舉足輕重的作用。復合材料獨特的材料-結構-功能一體化特點，尤其是工藝的敏感性，決 定其結構設計要求更加全面的結構設計技術和設計理論。
[0003] 近年來數值分析技術和復合材料分析理論的發展，使得復合材料結構的設計和分 析效率顯著提高，極大推動了復合材料結構的應用范圍。由此帶來的復合材料產品的低成 本和穩定性對其結構的材料選擇、工藝方案和結構尺寸等性能需求提出了新的課題。為了 適應上述需求，在對傳統的結構設計方法不斷改進的同時，一些新式高效的結構設計方式 不斷涌現。在面臨如何使產品結構承載能力更加優良而生產成本更低的問題時，除結構的 幾何尺寸、原材料性能的挑戰外，復合材料結構內部的細觀結構更是受到人們的重視。復合 材料材料的變形與破壞行為是由宏、細觀層次下多種破壞機制相耦合而發生和發展的，宏 觀偶然發生的災難性斷裂行為往往是受微細觀尺度內的力學過程所制約的。
[0004] 結構設計是將材料通過設計合理的幾何空間布局而實現其結構上的承載等功能， 并滿足一定周期的安全服役要求。由于材料性能不同，所采用的結構形式和尺寸，以及載荷 傳遞路徑的具體設計有很大的差別。
[0005] 傳統的復合材料結構設計主要包括經驗尺寸設計和實驗試制等，但都存在效率較 低并且不能充分發揮復合材料輕質高強等優點等問題。經驗尺寸設計存在設計人員經驗積 累和工藝穩定性限制等嚴重缺陷；實驗試制容易受生產經驗影響延長產品結構設計周期， 嚴重增加產品成本。
[0006] 與目前大多數傳統復合材料結構設計方法相比，利用數值分析技術進行復合材料 結構設計具有以下優勢：1、能夠從材料級別對復合材料的組合方式進行開發設計，可以確 定出性價比最優的原材料;2、能夠從工藝上確定復合材料的性能確定可滿足結構性能要求 的工藝方案;3、從細觀上優化、確定復合材料結構的機械性能，降低材料性能測試要求;4、 能縮短產品開發周期50%以上，降低產品成本20%以上；5、提高復合材料結構的材料利用 率80%以上;6、同時提供多個結構設計方案，增加成本降低空間。
[0007] 圖1所示為常規復合材料結構設計流程示意圖，其中不同工藝方法制備的復合材 料性能數據均需要通過大量測試實驗獲得，依據測試數據確定出其各項性能如模量的平均 值和強度的特征值。
[0008] 在實驗測試中，獲得的測試數據僅為典型工藝制備具體鋪層或單層復合材料的模 量和強度的性能數據，需要多組試樣以確定其中纖維含量變化對其性能的影響。
[0009] 但是，在現有的復合材料結構設計中，通常采用的方法是：1、不考慮工藝因素對復 合材料結構局部纖維含量變化的影響；2、在結構分析中，依據實際工藝鋪層參數對各個區 域結構的單元進行相應的鋪層定義;3、制造實體模型進行精確計算和試驗。但是這些方法 存在以下缺陷:對于數值分析來說，未考慮工藝因素變化對復合材料性能的影響，在結構分 析上需要大量的準備工作以保證分析模型與實際相符，且大大受限于結構分析效率和模型 精度，無法快速得到準確的分析結果。對于實驗研究來說，雖然可以得到合理的設計結果， 但前提是需要制造出實體模型，耗時耗費均較高，并且靈活性較差。
【發明內容】
[0010] 為了克服上述缺陷，本申請的發明人進行了銳意研究。本發明提供了一種復合材 料的設計方法，尤其是提高一種復合材料結構的快速優化設計方法。該方法充分考慮材料 組分、工藝因素變化對復合材料承載性能影響的影響，充分發揮復合材料的材料潛力，并且 設計周期縮短，成本降低。
[0011] 本發明提供一種復合材料的設計方法，包括以下步驟：
[0012] a、確定擬選用的樹脂基體和增強纖維的機械性能和復合方式，所述的機械性能包 括樹脂基體的模量、和增強纖維的模量和強度；
[0013] b、基于復合材料的纖維含量特征值，確定工藝因素對復合材料的纖維含量的影響 范圍：
[0014] c、采用均一化數值方法從細觀上計算單層復合材料的工程彈性常數;單層復合材 料的工程彈性常數包括模量和強度；
[0015] d、基于步驟c獲得的單層復合材料的工程彈性常數，根據復合材料的結構參數從 宏觀上獲得復合材料的層合結構的工程彈性常數;所述層合結構的工程彈性常數包括模量 和強度;所述的結構參數包括鋪層角度；
[0016] e、基于步驟d獲得的所述層合結構的工程彈性常數，獲得復合材料的承載性能；
[0017] f、判斷步驟e獲得的復合材料的承載性能是否滿足設計要求，并確定復合材料的 最佳工藝因素和結構參數。
[0018] 根據本發明所述的設計方法，優選地，所述步驟f包括以下步驟:將步驟e獲得的復 合材料的承載性能與設計要求的承載性能進行匹配;如果匹配，則確定復合材料的最佳工 藝因素和結構參數;否則返回步驟a。
[0019] 根據本發明所述的設計方法，優選地，所述步驟a包括以下具體步驟：
[0020] A1、獲取擬選用的樹脂基體的模量，和獲取擬選用的增強纖維的模量和強度；
[0021] A2、估算不同的樹脂基體和增強纖維復合后形成的復合材料的模量和強度，確定 可選用的復合方式。
[0022] 根據本發明所述的設計方法，優選地，所述步驟b包括以下具體步驟：
[0023] B1、依據實驗或資料獲取典型工藝制備復合材料的纖維含量特征值；
[0024] B2、根據下列公式確定工藝因素對復合材料的纖維含量的影響范圍：
[0025] Ei = EmVm+EfVf,
[0026] l/E2 = Vm/Em+Vf/Ef,
[0027]式中，El表不沿纖維長度方向的彈性模量、E2表不沿垂直纖維方向的彈性模量、Em 表示樹脂基體的彈性模量、vm表示樹脂基體的體積含量、Ef表示增強纖維的彈性模量、Vf表 示增強纖維的體積含量。
[0028]根據本發明所述的設計方法，優選地，所述步驟c包括以下具體步驟：
[0029] C1、根據復合材料的橫截面纖維的分布特點，確定出用于描述細觀結構內部纖維 分布周期性單元，該單元至少包含一個纖維橫截面；
[0030] C2、建立描述所述周期性單元的第一單胞三維模型，通過調整纖維直徑參數反映 所代表復合材料內的纖維含量，其中單胞厚度為纖維直徑1/5~1/2;
[0031] C3、采用有限元工具對所述的第一單胞三維模型進行有限網格劃分，并對第一單 胞相對點、邊、面的邊界節點施加周期性邊界條件使其符合周期性連續條件；
[0032] C4、將樹脂基體和增強纖維的機械性能分別輸入有限元工具，并賦予相應的單元； 所述的機械性能包括樹脂基體的模量、和增強纖維的模量和強度；
[0033] C5、分別對第一單胞施加不同方向的載荷工況，分析其結構響應；
[0034] C6、依據下列公式獲得第一單胞在不同加載工況下的整體剛度響應；
[0035]
[0036] 式中，&表示單胞的應力分量的平均值，下標ij表示應力方向，V為單胞的體 積，Ω為單胞內的所有單元，Vk為單胞內單元k的體積，σ f為單胞內單元k的