[发明专利]一种用于编织复合材料的几何力学模型一体化方法

说明书

本发明公开了一种用于编织复合材料的几何力学模型一体化方法，包括：以铺层纱线路径模型为基础，设每4个相邻的交织点构成一个三维菱形单胞，将每个单胞划分为两个Delaunay三角形，构建得到Delaunay三角网格；以Delaunay三角网格为基础，建立Thiessen多边形网格；根据Thiessen多边形网格与整体区域的有限元模型得到单元主方向；选取铺层纱线路径模型的复杂几何区域进行局部细化，生成局部细化有限元模型；判断局部细化有限元模型中各单元的材料属性，材料属性包括经纱、纬纱和基体。本发明能够对有限元模型中各单元材料属性的快速判断。

技术领域

本发明涉及平纹编织复合材料力学性能有限元分析的前处理技术领域，具体而言涉及一种用于编织复合材料的几何力学模型一体化方法。

背景技术

使用纤维编织增强的陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，CMC)具有高比强度、高比模量、高可靠性、强耐高温性等优异特点，有较大潜力替代金属材料成为未来高性能航空燃气涡轮发动机热端部件的核心材料，该材料可以使涡轮发动机效率有革命性的提高。编织CMC不仅可以保持陶瓷材料良好的高温性能，而且纤维的增强作用会使其拥有较好的断裂韧性。但是，高昂的制造成本对这种新材料的引入造成很大阻碍，需要通过有效的性能预测方法准确计算编织CMC结构的力学性能，从而达到减少迭代试验次数以及降低制造成本和研制周期的目的。

以往的工作中，研究者通常应用周期性方法对CMC结构的力学性能进行预测。但工程应用中的CMC构件通常具有复杂的预制体结构，利用周期性方法对具有高度非周期性的复杂CMC结构进行力学仿真是不适用的，在进行编织CMC结构的力学性能预测前，需要建立一种能够考虑整个CMC构件非周期细观结构的力学求解方法。而在细观力学方法中，复合材料的纤维和基体都被明确建立，这可以有效的反应复合材料构件的非周期特性。但目前，细观力学方法仅仅在单胞级别上进行了应用。由于现今计算机水平的限制，在构件级别上进行复合材料的细观力学分析会耗费大量时间，尤其是对于几何复杂的复合材料构件。

因此有必要设计一种将均匀化方法的计算速度优势和细观力学方法的计算精度优势相结合的方法，而确定力学有限元模型中各单元的材料属性是该方法的关键步骤。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于编织复合材料的几何力学模型一体化方法，，用于编织复合材料构件力学性能模拟的前处理。该方法以构件的复合材料预制体几何模型与有限元力学模型为输入，分别针对构件的结构均匀区域与非均匀区域实现“几何-力学”一体化，得到构件有限元模型中每个单元的材料属性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于编织复合材料的几何力学模型一体化方法，所述材料属性模拟方法包括以下步骤：

S1，输入构件的复合材料预制体几何模型与有限元力学模型；其中复合材料预制体几何模型包括铺层纱线路径模型与预制体中尺度模型；有限元力学模型包括整体区域的有限元模型和局部非均匀区域的有限元模型；

S2，以铺层纱线路径模型为基础，设每4个相邻的交织点构成一个三维菱形单胞，将每个单胞划分为两个Delaunay三角形，构建得到Delaunay三角网格；

S3，以Delaunay三角网格为基础，建立Thiessen多边形网格；

S4，根据Thiessen多边形网格与整体区域的有限元模型得到单元主方向；

S5，选取铺层纱线路径模型的复杂几何区域进行局部细化，生成局部细化有限元模型；

S6，判断局部细化有限元模型中各单元的材料属性，材料属性包括经纱、纬纱和基体。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：