[发明专利]一种适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法

权利要求书

1.一种适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：开展针刺复合材料CT断层扫描测试，获取针刺复合材料实际加工工艺下的包括针刺密度、针刺深度和针刺区域分布在内的工艺参数，以及针刺区域平面尺寸、各材料相厚度、针刺纤维和无纬布体积分数的测量数据；根据上述工艺参数和测量数据，建立针刺复合材料宏观几何模型；

步骤2：针对针刺区域进行几何划分，将针刺区域在细观尺度上划分为数个长方体子胞，建立不同材料相的细观通用单胞模型，即包括0°无纬布、90°无纬布以及短切纤维布三种类型的模型；所述通用单胞模型厚度依据不同材料的相厚度的比例确定；

步骤3：针对宏观模型中的非针刺区域，建立连续介质损伤理论描述其损伤行为，为获取非针刺区域的等效弹性性能，采用层次化建模方法对无纬布、短切纤维进行建模计算；

步骤4：针对针刺复合材料开展多尺度分析，在分析过程中，宏观模型的针刺区域的积分点首先给出宏观应变增量，在细观模型中计算划分的每个子胞的应变增量；随后，根据子胞本构关系计算子胞应力、根据刚度退化计算损伤；最后采用局部体积平均方法获得积分点处的宏观应力和损伤；结合非针刺区域基于所述通用单胞模型计算的损伤，得到针刺复合材料整体的损伤状态。

2.根据权利要求1所述的适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法，其特征在于：所述步骤1中，针刺复合材料宏观模型中所述针刺区域分布根据真实结构的统计性结果确定，采用CT断层扫描确定每个针刺部位中心的坐标，随后选取合适的分布函数拟合参数，对该分布进行抽样，得到针刺区域的坐标；假设针刺区域为长方体，结合测量得到的针刺区域平面尺寸和针刺密度，建立针刺复合材料的宏观模型。

3.根据权利要求1所述的适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法，其特征在于：所述步骤2中，针刺区域的0°无纬布、90°无纬布的细观通用单胞模型包括中心的针刺孔区和周围的长纤维增强区：针刺孔区包括基体和厚度方向的纤维两种材料，长纤维增强区由平面纤维和基体交替排列构成；短切纤维的细观通用单胞模型包括中心的针刺孔区和周围的随机短纤维增强区：针刺孔区包括基体和厚度方向的纤维两种材料；随机短纤维增强区视为面内各向同性材料；所述通用单胞模型被划分成N_α×N_β×N_γ个子胞，其中α，β和γ分别表示笛卡尔坐标系三个方向上的子胞数量，子胞的划分要同时兼顾计算的精度和效率；长纤维、厚度方向纤维与基体对应的子胞数量根据测量所得的体积分数确定。

4.根据权利要求1所述的适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法，其特征在于：所述步骤3中，所述层次化建模方法通过二次均匀化方法来实现，根据断层扫描结果，明确非针刺区域不同材料相的微观结构及其尺寸，随后针对无纬布和短切纤维层分别建立几何模型、通过均匀化计算弹性性能，再根据非针刺区域模型的结构尺寸建立几何模型，对每一层分别赋予各自材料相的材料属性，二次均匀化后得到非针刺区域的等效弹性常数。

5.根据权利要求1所述的适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法，其特征在于：所述步骤4中，所述局部体积平均方法用于实现针刺复合材料细观和宏观数据的跨尺度传递，在针刺区域的一个积分点给出应变增量后，首先判断该积分点和针刺区域中心点的位置关系，随后将这种位置关系镜像到细观通用单胞模型中，选取同样位置关系、一定大小的区域作为体积平均区域；

其中表示宏观模型的柯西应力分量，V为所选区域的体积，v_αβγ表示子胞体积，(N_i,N_j)代表宏观模型中积分点的坐标，表示细观通用单胞模型中所选区域中心子胞的序号，2δ为所选局部区域上x方向上的子胞数量；η为厚度方向上的子胞数量；由此计算得到的体积平均应力作为该积分点的宏观应力。