[发明专利]一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法

说明书

本发明提供了一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法，步骤为：根据满足空间群P4对称性的细观结构设计三维编织材料的结构和尺寸，在有限元模拟软件Abaqus中建立一个最小代表性体积单元，通过平移对称的方式得到一个标准的部件；根据所需预测的三维编织复合材料的材料参数给部件赋予材料属性；设定网格类型、边界条件、载荷和接触条件；根据有限元模拟软件Abaqus中的计算结果和相应的失效准则，预测出材料的失效情况，得到这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。解决了基于空间群P4的编织复合材料力学性能难以测试的问题，为制定出这种复合材料编织的最优方案提供了可靠的理论基础。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种预测基于空间群P4对称性的三维编织复合材料失效的模拟和分析方法，包含预测这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。

背景技术

三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板间性能差、冲击韧性低和易分层的缺点，具有良好的拉伸性能，抗冲击性能和剪切性能等优点，广泛应用于航空、航天等高科技领域。基于空间群P4对称性的三维编织复合材料是根据晶体空间点阵和空间对称群构想出的新型编织复合材料，由于这种结构的材料还未批量化生产，所以对它性能的预测就显得十分重要。有限元模拟为这种材料的性能和结构失效预测提供了有效的途径，同时也为这种结构的设计改进提供了理论基础。

有限元分析是借助数学近似方法对真实物理系统进行模拟，可以利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为十分有效的工程分析手段。与实验手段相比，有限元模拟方法可深入探究三维编织复合材料在高应变率加载过程中的力学响应及失效机理。利用有限元模拟软件可以建立精准的部件空间结构和尺寸大小，对不同的部件赋予不同的材料性能参数，并且能够快速准确地施加复合材料在实际加载条件下的边界条件、接触和载荷。通过有限元软件分析求解来得到这种材料的力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法，为基于空间群P4对称性的编织复合材料提供一种可靠有效的拉伸性能和抗冲击性能的预测手段，以用于预测这种材料的性能和结构失效情况。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法，包括以下步骤：

步骤一：根据空间群P4对称性的细观结构设计三维编织材料的结构和尺寸，在有限元模拟软件Abaqus中建立一个最小代表性体积单元，通过平移对称的方式得到一个标准的部件；

步骤二：根据所需预测的三维编织复合材料的材料参数给部件赋予材料属性；

步骤三：设定网格类型、边界条件、载荷和接触条件；

步骤四：根据有限元模拟软件Abaqus中的计算结果和相应的失效准则，预测出材料的失效情况，得到这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。

步骤二中，根据不同材料给部件赋予不同材料属性，材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变。

步骤三中，通过C3D8R实体单元来对纤维束划分网格，采用C3D4实体单元对基体划分网格。

步骤三中，将纤维束和基体的接触方式定义为面面接触，设定基体为主面，纤维束为从面。

步骤四中，对于纤维束，采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式，对于基体，采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程。

有益效果：本发明与现有技术相比的优点在于：