一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法技术

本发明专利技术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。

A Design Method of Unidirectional Carbon Fiber Reinforced Composites

The invention relates to a design method of unidirectional carbon fiber reinforced composites (UD CFRPs), which includes the following steps: 1. Establishing the mechanical properties prediction model of UD CFRPs by cross-scale finite element method; 2. Sensitivity analysis of mechanical properties parameters of fibers and matrix by using input sample set and result sample set. The model is modeled and solved, and the sensitivity index is validated by variable parameter amplitude method. Step 3. Based on the sensitivity analysis model of step 2, different types of UD CFRPs are designed. The design method of UD_CFRPs based on sensitivity analysis model provided in the above technical scheme can effectively solve the problem of ignoring fibers and matrices as the main factors affecting the mechanical properties difference of UD_CFRPs in the existing design, and the sensitivity of some parameters has not been analyzed, which leads to great differences and deficiencies with the actual parameters. Few effective methods are used to verify the sensitivity analysis results.

【技术实现步骤摘要】
一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法
本专利技术涉及复合材料(CFRPs)设计
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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；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。步骤1包括以下步骤：步骤1a.采用纤维间交错排列形式建立UD-CFRPs的纤维束代表性体积单元模型；步骤1b.在ABAQUS/Standard分析模块中建立模型并生成网格单元后，分别获取边界的节点信息，根据基于平移对称的周期性边界条件对纤维束代表性体积单元模型的各单元节点施加对应的周期性边界条件，即得到UD-CFRPs力学性能的预测模型。步骤2包括以下步骤：步骤2a.输入样本集的生成，对纤维和基体的各项力学性能材料参数的分布特性进行分析，在MATLAB软件中编制相应的程序，分别对纤维和基体的每项力学性能参数生成样本数据；步骤2b.结果样本集的生成，根据UD-CFRPs力学性能的预测模型，利用指令驱动有限元分析方法对纤维和基体的力学性能参数样本对UD-CFRPs的各项力学性能进行预测，其每个样本的力学性能预测结果即为结果样本集；步骤2c.采用Sobol法对UD-CFRPs中的纤维和基体的各项力学性能参数进行全局灵敏度分析。步骤3具体包括：基于参数幅值法，设计UD-CFRPs的力学性能变化幅值，初始值等于纤维和基体各项力学性能参数的变化幅值，初始值乘以灵敏度指标，即公式式中：EDi表示设计后的UD-CFRPs设计在i方向上的弹性模量(i＝1,2,3)；Si表示灵敏度系数，Ei表示纤维或基体在在i方向上的初始弹性模量或者是泊松比；ECfi表示纤维在i方向上的弹性模量或弹性模量与基体泊松比，Efi为纤维和基体在i方向上的初始弹性模量；GDij为设计后在ij平面上的UD-CFRPs剪切模量，(i,j＝1,2,3)，Gij为UD-CFRPs的初始剪切模量，GCfij为在ij平面内选取的UD-CFRPs的剪切模量，Gfij为纤维或基体在ij平面上的初始剪切模量或泊松比。上述技术方案中提供的单向碳纤维增强复合材料的设计方法，采用跨尺度有限元法建立了高精度UD-CFRPs的力学性能预测模型，有效解决了纤维和基体的材料参数易于改变的问题；然后利用输入和结果样本集，在MATLAB软件中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，使纤维与基体的各项性能参数的设计过程更加方便；并首次提出变参数幅值法对灵敏度系数进行验证，以确保在UD-CFRPs设计中选用不同类型的纤维和基体的准确性。附图说明图1为纤维束代表性体积单元模型图；图2为纤维束单胞应力响应云图；图3为UD-CFRPs的各项力学性能参数图；图4为UD-CFRPs的力学性能预测的指令驱动流程图；图5为UD-CFRPs各项力学性能预测结果样本的输出示意图；图6为UD-CFRPs各项力学性能参数的灵敏度柱形图；图7为灵敏度指数与Sobol法的验证结果对比图；图8为基于灵敏度分析模型的UD-CFRPs不同力学性能的设计折线图；图9为预测模型与灵敏度模型设计验证结果对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用于描述本专利技术的一种或几种具体的实施方式，并不对本专利技术具体请求的保护范围进行严格限定。本实施例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；通过对CFRPs实际结构样本的观察，采用纤维间交错排列形式建立UD-CFRPs的纤维束代表性体积单元模型(RVE)，如图1所示。在ABAQUS/Standard分析模块中建立模型并生成网格单元后，分别获取边界的节点信息，根据基于平移对称的周期性边界条件对RVE的各单元节点施加对应的周期性边界条件，其主要目的是当RVE模型在受载后，确保两个相邻的RVE模型始终保持不发生分离和相嵌，以满足各边界的应力和位移连续。由于加载RVE模型的周期边界条件是通过在ABAQUS软件中约束条件中Equation功能实现，但因模型表面节点数量多且排列不规则，加之Equation的加载又涉及主从节点的选取，为提高效率，通过P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种单向碳纤维增强复合材料的设计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的单向碳纤维增强复合材料的设计方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：步骤1a.采用纤维间交错排列形式建立UD-CFRPs的纤维束代表性体积单元模型；步骤1b.在ABAQUS/Standard分析模块中建立模型并生成网格单元后，分别获取边界的节点信息，根据基于平移对称的周期性边界条件对纤维束代表性体积单元模型的各单元节点施加对应的周期性边界条件，即得到UD-CFRPs力学性能的预测模型。3.根据权利要求1所述的单向碳纤维增强复合材料的设计方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：步骤2a.输入样本集的生成，对纤维和基体的各项力学性能材料参数的分布特性进行分析，在MATLAB软件中编制相应的程序，分别对纤维和基体的每项力学性能参数生成样本数据；步骤2b...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐振超，刘勇，王星，陈文亮，杨景岚，肖叶鑫，姚晨熙，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32