[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

说明书

本发明涉及一种适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法，首先开展CT断层扫描试验，测量结构尺寸并获取特征参数；基于通用单胞模型对针刺区域进行几何划分，建立针刺部位的细观分析模型。然后针对针刺复合材料中的非针刺区域，采用连续介质损伤理论描述其损伤行为；考虑到针刺复合材料具有复杂的材料相，采用层次化建模的思路获取非针刺区域的等效弹性性能作为连续介质损伤理论模型的输入。最后，针对针刺部位不具备应用周期性边界条件的特性，提出一种局部区域体积平均方法，实现多尺度分析中细观‑宏观跨尺度数据的双向传递。

技术领域

本发明涉及航空航天热端部件复合材料力学性能评估领域，是一种适用于针刺复合材料的细观建模及多尺度分析方法。

背景技术

碳纤维增强陶瓷基复合材料由于优异的机械性能、耐高温性能，被视为潜在的航空航天热端部件例如喉道、尾喷管的候选材料。由于层合板的抗分层能力较差，而编织复合材料针对大型复杂结构的编织工艺尚不成熟且成本高昂，急需发展一种抗分层能力强、工艺简单且成本可控的材料。针刺复合材料由0°/90°无纬布和短切纤维层交替铺设而成，随后采用针刺工艺将平面纤维部分地转移到厚度方向，从而增强了其层间性能同时成本效益较高。因此，针刺复合材料逐渐成为碳纤维增强陶瓷基复合材料在工业应用中的首选工艺。

然而，由于针刺复合材料的预制体本身包含了多种材料相，而针刺工艺进一步增加了结构的复杂性，使得材料的力学性能表征面临很多问题。目前研究中主要采用的是基于金属弹塑性理论、引入损伤张量的方法，这种方法具备描述各向异性损伤的能力，但是针刺复合材料在受载过程中呈现渐进损伤失效的特性，没有明显的屈服阶段。因此这种方法从理论角度具有一定的局限性。同时，采用连续介质损伤理论模型能够对单向纤维、层合板的损伤过程进行比较精确的刻画，但是由于连续介质损伤理论是一种宏观模型，不能表现材料局部的微观和物理特征，因此只能用于非针刺区域的表征，而无法表现针刺区域的损伤演化过程。因此，需要建立一种适用于针刺复合材料的力学性能分析方法，能够在细观上描述针刺区域的损伤行为，进而在宏观上反映材料的本构关系。这对针刺复合材料的设计和工程应用具有重要意义。

对针刺复合材料的力学性能分析存在以下显著问题：(1)如何精准刻画针刺区域的细观损伤，进而模拟针刺复合材料的力学性能。(2)如何快速、高效的进行针刺区域的细观模拟。(3)如何处理针刺区域不具备周期性边界条件的问题。在查阅了已有专利和文献后，并未发现可以能够解决上述三个核心问题的针刺复合材料力学性能分析方法。因此，有必要发展一种考虑针刺区域细观损伤的多尺度分析方法，以解决针刺复合材料的力学性能预测问题。

中国发明专利CN201910245966.4公开了一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法，但是其采用的是宏观模型一个积分点代表一个细观模型均匀化结果的方式，不适用于针刺复合材料这类不具有周期性排列的特征结构。计算表明，若宏观模型每个积分点都认为是针刺区域，则会导致预测的损伤演化速度过快，严重低估针刺复合材料的力学性能。

中国发明专利CN201710352165.9公开了一种针刺预制体单胞的有限元建模方法，但是其建立的单胞模型仅用圆柱体代表针刺区域，而真实的针刺复合材料结构由0°无纬布、90°无纬布和短切纤维布交替铺设，同时引入了针刺纤维，材料相组成十分复杂。因此这样简单的建模难以反映针刺的真实结构。

现有文献“Jia Y,Liao D,Cui H,et al.Modelling the needling effect onthe stress concentrations of laminated C/C composites[J].MaterialsDesign,2016,104:19-26.”(针刺工艺对C/C针刺复合材料应力集中效应影响的仿真研究)通过建立含切口的单向纤维平面模型，采用剪滞模型量化了针刺工艺造成的应力重分布。但其没有在建模过程中没有考虑针刺纤维的影响，同时剪滞模型作为一种解析方法难以计算复杂结构的应力分布。