一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法技术

本发明专利技术涉及3D打印连续纤维技术领域，具体是一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其具体步骤如下：步骤S1：跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型：步骤S2：在该代表体积单元模型中加入孔隙结构；步骤S3：建立该复材的均匀化模型，通过跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型解决目前连续纤维仿真领域相对空白的问题及仿真求解的需求，本发明专利技术与实验数据对接的结果相对准确，本发明专利技术所公开的方法，适用于多种不同情形及参数指标下的新型复材性能预估。能预估。能预估。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法


[0001]本专利技术涉及3D打印连续纤维
，具体是一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法。

技术介绍

[0002]在研制连续纤维复合材料的过程中，常常需要对不同参数的复材进行力学性能的测试，而实际实验操作中往往会受连接结构打滑、系统误差等的影响，难以测试出材料的极限性能或得到精确的力学性能数据。基于此问题本专利技术提出了一种跨尺度仿真方法，来模拟不同连续纤维含量下的多孔复合材料的跨尺度仿真，以此给实验数据提供指导和参考，增加力学性能测试结果的准确性和可靠性。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提出一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法。
[0004]一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其具体步骤如下：
[0005]步骤S1：跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型：构建出丝材跨尺度分析的力学表征，以均匀化的等效模型替代复杂的微结构模型，并探索纤维含量与力学本构之间的数学关系；
[0006]步骤S2：在该代表体积单元模型中加入孔隙结构，建立多孔复材的代表单元体，并对该单元体仿真求解出所需的各向参数；
[0007]步骤S3：建立该复材的均匀化模型，采用均匀化模型对多孔复材等效替代，并结合周期性边界条件，仿真求解。
[0008]所述的步骤S1中的代表体积单胞尺寸选用50
×
50
×
50μm，纤维直径为7μm，纤维含量50wt.％。
[0009]所述的步骤S1中，纤维排布根据实际情况模拟选择与基体材料平行排布，并呈无规则的随机分散形式，纤维含量百分比根据需要进行调整。
[0010]所述的步骤S1中，纤维含量与力学本构之间的数学关系具体为：
[0011]建立如下所示的纤维含量换算表达式：
[0012][0013]式中，υ
f
是纤维体积含量，w
f
是其质量含量，ρ
f
是纤维密度，ρ
c
则是丝材密度，ψ是修正系数。
[0014]所述的丝材纵向模量通常采用混合法则来预测，根据静力平衡方程和一维胡克定律，可求解出等效模型纵向模量：
[0015][0016]所述的丝材横向模量则运用子区域法求解，采用正方形代替圆形纤维截面，再运用逆混合法则和混合法则，求出其横向模量：
[0017][0018]式中，E2是丝材横向模量，E
f2
是纤维横向模量。
[0019]所述的丝材为横观各向同性材料，面剪切效应相等(G
12
＝G
13
)，剪切变形模式则为纤维发生相对滑移，面剪切变形所产生的效果是纤维相对滚动，近似认为三个方向的剪切模量相等，即，G
12
＝G
13
＝G
23
，结合经验公式可得：
[0020][0021]式中，G
f
是纤维剪切模量，G
m
是基体剪切模量。
[0022]所述的复合材料泊松比u
12
、u
13
和u
23
同样受控于纤维运动模式，其中，u
12
可运用混合法则计算(u
13
＝u
12
)，u
23
则采用经验公式进行求解：
[0023][0024][0025]所述的步骤2中，孔隙直径为5～10μm，孔隙率为2％左右，建立多孔复材的代表单元体，随后对该单元体仿真求解出所需的各向参数。
[0026]所述的步骤3中，多孔复材采用的是200
×
15
×
1mm的样品，打印4层，结合周期性边界条件通过静力分析仿真求解得到验证。
[0027]本专利技术的有益效果是：通过跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型解决目前连续纤维仿真领域相对空白的问题及仿真求解的需求，本专利技术与实验数据对接的结果相对准确，本专利技术所公开的方法，适用于多种不同情形及参数指标下的新型复材性能预估。
附图说明
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0029]图1为本专利技术的复材代表结构单元模型；
[0030]图2为本专利技术的多孔复材代表结构单元模型；
[0031]图3为本专利技术的建立的复材截面模型。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本专利技术进一步阐述。
[0033]如图1至图3所示，一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其具体步骤如下：
[0034]步骤S1：跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型：构建出丝材跨尺度分析的力学表征，以均匀化的等效模型替代复杂的微结构模型，并探索纤维含量与力学本构之间的数学关系；
[0035]步骤S2：在该代表体积单元模型中加入孔隙结构，建立多孔复材的代表单元体，并对该单元体仿真求解出所需的各向参数；
[0036]步骤S3：建立该复材的均匀化模型，采用均匀化模型对多孔复材等效替代，并结合周期性边界条件，仿真求解。
[0037]所述的步骤S1中的代表体积单胞尺寸选用50
×
50
×
50μm，纤维直径为7μm，纤维含量50wt.％。
[0038]所述的步骤S1中，纤维排布根据实际情况模拟选择与基体材料平行排布，并呈无规则的随机分散形式，纤维含量百分比根据需要进行调整。
[0039]通过跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型解决目前连续纤维仿真领域相对空白的问题及仿真求解的需求，本专利技术与实验数据对接的结果相对准确，本专利技术所公开的方法，适用于多种不同情形及参数指标下的新型复材性能预估。
[0040]所述的步骤S1中，纤维含量与力学本构之间的数学关系具体为：
[0041]建立如下所示的纤维含量换算表达式：
[0042][0043]式中，υ
f
是纤维体积含量，w
f
是其质量含量，ρ
f
是纤维密度，ρ
c
则是丝材密度，ψ是修正系数。
[0044]所述的丝材纵向模量通常采用混合法则来预测，根据静力平衡方程和一维胡克定律，可求解出等效模型纵向模量：
[0045][0046]所述的丝材横向模量则运用子区域法求解，采用正方形代替圆形纤维截面，再运用逆混合法则和混合法则，求出其横向模量：
[0047][0048]式中，E2是丝材横向模量，E
f2
是纤维横向模量。
[0049]所述的丝材为横观各向同性材料，面剪切效应相等(G
12
＝G
13
)，剪切变形模式则为纤维发生相对滑移，尽管面剪切变形所产生的效果是纤维相对滚动，但剪切作用主要取决于基体变形，因此可近似认为三个方向的剪切模量相等，即，G...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其特征在于：其具体步骤如下：步骤S1：跨尺度建立多孔复材代表体积单元模型：构建出丝材跨尺度分析的力学表征，以均匀化的等效模型替代复杂的微结构模型，并探索纤维含量与力学本构之间的数学关系；步骤S2：在该代表体积单元模型中加入孔隙结构，建立多孔复材的代表单元体，并对该单元体仿真求解出所需的各向参数；步骤S3：建立该复材的均匀化模型，采用均匀化模型对多孔复材等效替代，并结合周期性边界条件，仿真求解。2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其特征在于：所述的步骤S1中的代表体积单胞尺寸选用50
×
50
×
50μm，纤维直径为7μm，纤维含量50wt.％。3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其特征在于：所述的步骤S1中，纤维排布根据实际情况模拟选择与基体材料平行排布，并呈无规则的随机分散形式，纤维含量百分比根据需要进行调整。4.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其特征在于：所述的步骤S1中，纤维含量与力学本构之间的数学关系具体为：建立如下所示的纤维含量换算表达式：式中，υ
f
是纤维体积含量，w
f
是其质量含量，ρ
f
是纤维密度，ρ
c
则是丝材密度，ψ是修正系数。5.根据权利要求4所述的一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其特征在于：所述的丝材纵向模量通常采用混合法则来预测，根据静力平衡方程和一维胡克定律，可求解出等效模型纵向模量：6.根据权利要求5所述的一种连续纤维增强多孔复合材料跨尺度仿真方法，其特征在于：所述的丝材横向模量则运用子区域法求解，采用正方形代替圆形纤维截面，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮志超，戴宁，许光群，张天驰，杨彦，刘铄涵，吕云飞，刘家豪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学国营芜湖机械厂，
类型：发明
国别省市：