[发明专利]一种预测周期性点阵材料屈服面的分析方法

说明书

本发明涉及一种预测周期性点阵材料屈服面的分析方法，该方法考虑材料实际受力时内部结构轴力和弯矩的耦合效应，先利用理论推导获得周期性点阵材料代表体元(RVE)的屈服条件，然后利用有限元分析软件，编程实现大批量全面计算。在后处理中，通过对屈服点的自动识别和提取得到计算结果，并与理论结果一同进行可视化处理，二者相互比较、验证，确保结果的准确性，从而实现对周期性点阵材料强度性能的预测。

技术领域

本发明涉及一种周期性点阵材料屈服面的分析方法，属于材料力学性能分析领域。

背景技术

随着航空航天器结构设计理念和加工工艺的进步，轻金属泡沫材料和蜂窝层板已经应用于航空航天结构，而具有微桁架结构的点阵材料是近年来国际上认为最有前景的新一代先进轻质材料。点阵材料除了具有的轻质，高强的性能外，还具有很强的可设计性以满足散热、吸能、吸波等特性。这种多功能和可设计性的结合，使得点阵材料在航空航天领域得到了广泛的应用。

因此，作为一种广泛应用于航空航天结构中的材料，其力学性能的分析显得尤为重要。在传统的点阵材料屈服面分析中，大多数分析只针对单轴或者双轴屈服面，而且只考虑结构中的轴力或者弯矩。但是随着制备工艺的进步，许多具有新型复杂结构的点阵材料得以制备、应用。在复杂应力状态下，新型结构中的轴力和弯矩均不可忽略，必须考虑二者之间的耦合效应，才能实现对点阵材料屈服面较为准确的预测。

在屈服面的数值验证中，计算过程具有很强的重复性，每次计算前只需要修改载荷的方向，重复计算、提取结果即可，传统的人工计算只能进行孤立点的计算，没法进行大批量计算。若用计算机程序代替人工操作，进行大量、重复计算和数据处理，可提高计算的速度和效率。

2013年，Ushijima K，Cantwell W J，Chen D H三位学者在InternationalJournal of Mechanical Sciences(国际机械科学杂志)上发表了一篇名为Prediction ofthe mechanical properties of micro-lattice structures subjected to multi-axial loading(微点阵结构在多轴载荷下的力学性能预测)的学术论文。在该文章中，该学者理论分析了一种点阵结构的二维屈服面，该理论并没有考虑轴力和弯矩的耦合效应。在数值计算验证中，也只是针对部分区域进行了少数验证，得到了有一定误差的结果。本发明弥补了上述不足：①，本发明使用的理论屈服函数考虑了结构中轴力和弯矩的耦合效应，使预测结果更加准确；②，本发明通过结构与单根梁之间的受力分析，可以实现三维乃至任意复杂应力状态下的屈服面预测；③，本发明在数值计算的验证中，可以实现全过程大批量自动计算，使数值验证更加简便、全面、高效。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，为了能够更加准确、便捷预测周期性点阵材料在复杂应力状态下的屈服面，建立一种高效预测周期性点阵材料屈服面的分析方法，从而实现计算效率的提升，减少人力财力的消耗。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种预测周期性点阵材料屈服面的分析方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据实际点阵材料的结构特点和尺寸特征，选取细观力学模型进行刻画；所述细观力学模型采用梁模型；

步骤(2)：根据细观力学模型的周期性排布规律，选取代表体元RVE，所述代表体元RVE选取的原则是：代表体元通过简单阵列排布能够复现实际结构；

步骤(3)：根据代表体元RVE，考虑梁受力时轴力和弯矩的耦合作用，理论计算得出RVE的屈服函数；

步骤(4)：基于计算机辅助工程(CAE)工具，对所述代表体元RVE进行尺寸设置、赋予材料属性、网格划分，将代表体元RVE转化为可用于数值仿真的有限元模型，此过程称为有限元建模；通过选取代表体元RVE中的关键点并且连线，网格划分，实现用梁模型对代表体元RVE的刻画；