[发明专利]一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法

说明书

本发明公开了一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法，包括如下步骤：1）构建纤维增强复合材料结构模型，针对纤维弹性模量不均匀性构建纤维弹性模量正态分布模型；2）将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型相结合，建立有限元分析模型进行有限元计算分析，计算预测复合材料结构在给定载荷下的力学响应；3）输出结果，如果不合格，进行原材料筛选工艺参数优化，更新纤维弹性模量正态分布模型，进入步骤2）进行有限元计算分析；如果合格，则输出形成质量控制指标。本发明可以有效预测纤维弹性模量的分散性对最终制成品的力学性能的影响，从而对纤维原材料的质量分布提出量化的控制指标。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法。

背景技术

纤维增强复合材料结构具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、破坏时不易产生碎片等显著优点而广泛的应用于航空航天、汽车舰艇、建筑工程、高端运动器材等领域，其结构性能好、质量轻，在减轻自重的同时还能改善抗震性能，今后将更广泛的取代钢材等传统金属工业材料，具有广阔的发展前景。

纤维增强型复合材料结构的加工工艺比较复杂，在加工过程中，由于环境温度、湿度、纤维预应力、配方、固化温度等因素的变化，造成纤维增强复合材料制品的宏观弹性模量存在一定的分散性，导致其力学性能也存在一定的分散性。力学性能的分散性是影响产品质量的最主要的因素，并且无法在设计阶段就充分预测结构的力学性能分散性，往往需要获得制成品后再通过试验确定其力学性能的分散性情况。

对于天然纤维如植物纤维等，不同纤维以及同一纤维的不同部位，其弹性模量和强度也是非均匀的，因此天然纤维或植物纤维复合材料制品的力学性能也存在一定的分散性。对于天然纤维或植物纤维增强的复合材料结构，在产品制造之前的设计阶段，有效预测其原材料的分散性对最终制成品的力学性能的影响，从而对原材料的质量分布提出量化的控制指标，是现有技术中亟需解决的一个问题。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种纤维增强复合材料结构力学性能预测及控制方法，在设计阶段即可预测宏观弹性模量不均匀性对复合材料制成品力学性能的影响，在原材料质量分布和制成品力学性能之间建立量化关系，是实现纤维增强复合材料结构力学性能控制的关键手段。

一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法，包括如下步骤：

1)构建纤维增强复合材料结构模型，针对纤维弹性模量不均匀性构建纤维弹性模量正态分布模型；将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型共同作为输入条件，用于预测复合材料结构的力学响应；

2)将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型相结合，建立有限元分析模型进行有限元计算分析，计算预测复合材料结构在给定载荷下的力学响应；

3)输出结果，如果不合格，进行原材料筛选工艺参数优化，更新纤维弹性模量正态分布模型，进入步骤2)进行有限元计算分析；如果合格，则输出形成质量控制指标。

步骤1)所述纤维增强复合材料结构模型指由天然纤维或植物纤维增强的复合材料结构，以及由碳纤维、玻璃纤维增强的复合材料结构。

步骤1)所述纤维弹性模量正态分布模型如式(1)所示：

式中，E_f是纤维拉伸弹性模量,E_f0是纤维弹性模量的平均值，是纤维弹性模量值的方差，复合材料结构中，纤维弹性模量平均值不变，还存在一个约束条件，如式(2)所示：

式中，V₀是复合材料结构体积,E_f(x,y,z)是纤维拉伸弹性模量在结构中的分布。