[发明专利]一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法

说明书

本发明涉及一种单向碳纤维增强复合材料(UD‑CFRPs)的设计方法，包括以下步骤：步骤1.采用跨尺度有限元法建立UD‑CFRPs的力学性能预测模型；步骤2.利用输入样本集和结果样本集，对纤维和基体的各项力学性能参数的灵敏度分析模型进行建模和求解，并采用变参数幅值法对灵敏度指标进行验证；步骤3.基于步骤2的灵敏度分析模型，设计不同类型的UD‑CFRPs。上述技术方案中提供的基于灵敏度分析模型的UD‑CFRPs的设计方法，其能有效解决现有设计中存在的忽略纤维和基体作为影响UD‑CFRPs力学性能差异的主要因素、一些参数的灵敏度没有得到分析，导致与实际的参数差异较大以及缺少有效的方法实现灵敏度分析结果的验证问题。

技术领域

本发明涉及复合材料(CFRPs)设计技术领域，具体涉及一种基于灵敏度分析模型的高性能单向碳纤维增强复合材料(UD-CFRPs)的设计方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRPs)以其重量轻、强度高、模量大、耐疲劳、耐腐蚀等优良性能，在航空航天和各种先进结构中得到了广泛的应用。单向碳纤维增强复合材料(UD-CFRPs)是CFRPs的基本组成部分，其宏观力学性能通过大量碳纤维丝束与树脂基体的结合表现出综合性能。不同品种纤维和基体材料参数的差异直接影响CFRPs的力学性能。更重要的是，单向CFRPs的机械性能是影响CFRPs整个生命周期的最关键指标之一，如优化加工工艺条件，确定层叠设计，评价生产的使用寿命。由于CFRPs通常用于复杂的使用环境，与固化工艺相比，纤维和基体各项力学性能的确定是UD-CFRPs组分结构设计中的一项重要任务。最方便、最直接的方法是分析各参数的影响，即对各参数灵敏度进行分析。灵敏度分析模型一般用于工程中模型的评价和结构优化上，分析参数对系统或模型的影响。

在灵敏度分析方面，学者们对灵敏度分析建模中通常受虚拟材料的假设，主要集中在复合材料力学性能的工艺参数或者纤维分布的影响方法，从而实现对高性能复合材料的设计。然而纤维和基体的材料参数的对复合材料力学性能的影响则被忽略，当考虑到材料性能参数时，则对纤维和基体的力学性能参数又过于理想化假设，导致利用材料参数的灵敏度分析实现高性能复合材料设计的研究不够深入。

现有对灵敏度分析及基于灵敏度模型实现复合材料高性能设计存在的主要问题有：

(1)在灵敏度分析参数方法方面：虽然加工工艺、纤维分布等参数对复合材料的各项力学性能参数都有较大影响，但是纤维和基体作为影响复合材料力学性能差异的主要因素则被忽略，纤维和基体的参数差异对复合材料的各项力学性能差异的影响起着必不可少的因素。

(2)在灵敏度模型建模方面：虽然有些灵敏度分析模型都考虑到组成成分参数的影响，遗憾的是，由于纤维和基体的材料性质被简化为各向同性，如泊松比等，一些参数的灵敏度没有得到分析，导致与实际的实验参数差异较大。

(3)在灵敏度模型的验证及材料性能设计方面：现有的灵敏度分析模型对灵敏度系数无法验证。最主要是灵敏度分析模型需要基于大量的样本实现，很多研究中的样本都主要集中在实验模型，而在实际实验中的很多参数在修改难度较大。同时还缺少有效的方法实现灵敏度分析结果的验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法，其能有效解决现有对灵敏度分析及基于灵敏度模型实现CFRPs高性能设计，存在的忽略纤维和基体作为影响CFRPs力学性能差异的主要因素、一些参数的灵敏度没有得到分析，导致与实际的实验参数差异较大以及缺少有效的方法实现灵敏度分析结果的验证问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法，包括以下步骤：

步骤1.采用跨尺度有限元法建立UD-CFRPs的力学性能预测模型；

步骤2.利用输入样本集和结果样本集，对纤维和基体的各项力学性能参数的灵敏度分析模型进行建模和求解，并采用变参数幅值法对灵敏度指标进行验证；