【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料力学性能评价，涉及一种平纹编织复合材料结构跨尺度力学性能评价方法，更具体涉及一种风电叶片用织物粘接碳纤维拉挤板材的力学性能评价方法。
技术介绍
1、随着可再生能源的蓬勃发展，风力发电作为一种清洁能源技术受到了广泛关注。风电叶片的超长柔性化发展有助于提高发电效率、降低成本、增加功率输出。尤其在低风速地区和海上应用中，能够更充分地利用风力资源。随着风电叶片朝着超长柔性的方向发展，碳纤维拉挤结构凭借其高强度和轻量化的特点，显示出巨大的应用优势。
2、碳纤维拉挤材料通过将连续的碳纤维束浸渍于树脂中，然后通过模具拉挤成型，从而获得具有优异力学性能的结构件。这些结构件在风电叶片中不仅可以提供足够的强度和刚度，还能显著减轻叶片重量，从而提高风机的发电效率。然而，为了提升碳纤维拉挤结构在风电叶片结构中的应用可靠性，需要对结构设计进行预测。尽管碳纤维拉挤结构具有许多优势，但由于其内部纤维分布相对均匀，在结构受力后，大多容易在拼接搭接界面处失效。因此，碳纤维拉挤板材与玻璃纤维编织复合材料的粘接界面在多尺度下的性能对叶片的整体性能和可靠性有着重要影响。
3、平纹编织复合材料是经纬线纤维束上下相互编织而成，最明显的特点即是经线和纬线交织节点最多，使得平纹材料具有较高的弯曲强度和拉伸强度，同时平衡度较高。由于其独特的编织结构，平纹编织复合材料的结构在受力时具有天然的多尺度特征，单独的宏观或者细观复合材料力学方法难以全面预测编织复合材料的力学行为。宏观力学方法主要基于实验数据，通过运用基于经验的理论对其力学性能
4、鉴于上述情况，对于平纹编织复合材料这种天然具有多尺度结构特征的材料，亟需开发一种能够综合宏观和细观力学方法优势的跨尺度力学性能评价方法，以全面、准确地预测平纹编织复合材料的力学行为，从而不仅能够揭示材料在不同尺度上的损伤和破坏机理，还能为材料设计和工程应用提供科学依据。总之，如何在跨尺度力学性能评价中，充分考虑编织复合材料的结构特点和多尺度力学行为，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、针对现有宏观/细观单尺度分析编织复合材料面临的问题，例如不能全面预测平纹编织复合材料的力学行为、忽略材料内部的结构细节及其对整体性能的影响等缺陷和不足，为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本专利技术提出一种平纹编织复合材料的跨尺度力学性能评价方法，针对碳纤维拉挤板材采用平纹编织复合材料粘接的结构，通过细观尺度、介观尺度和宏观尺度之间跨尺度参数传递，采用基于细观失效机制的跨尺度失效方法预测其结构刚度及强度，细观尺度涉及纤维和基体两种组分，介观尺度为纤维束和大块树脂组成的平纹编织代表性单元，宏观尺度为编织复合材料粘接碳纤维拉挤板材结构，能够对编织复合材料粘接碳纤维拉挤板材的风电大梁结构进行精细化设计和仿真建模，提高材料选型和结构匹配的效率，降低成本，最终实现对编织复合材料的全面的力学性能预测。
3、(二)技术方案
4、为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
5、本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种平纹编织复合材料的跨尺度力学性能评价方法，包括细观-介观-宏观三个尺度，包括织物板材截面显微观测、细观单胞模型建立、介观微元模型建立、细观-介观应力转换参数提取、细观-介观跨尺度失效预测参数传递、介观微元模型跨尺度失效预测等步骤：
6、ss1.织物板材截面显微观测
7、对对平纹编织复合材料织物板材进行截面显微观测，获取纤维束的几何尺寸和分布参数，包括纤维束长轴宽度、纤维束短轴宽度、纤维直径、纤维间距、纤维束总面积、纤维束内纤维数量。
8、ss2.细观单胞模型建立
9、按照纤维束显微观测数据建立细观尺度的纤维/基体单胞模型，按照纤维和基体的材料类型分别预设其初始材料属性，通过对细观单胞模型施加边界条件和加载不同方向的介观应力，获取不同加载工况下纤维和基体的应力分布，继而计算出单胞模型整体的刚度，并且提取出纤维/基体失效导致刚度衰减后的应力分布参数。
10、ss3.介观微元模型建立
11、基于纤维束显微观测数据建立包含平纹编织模式排列的由经向纤维束、纬向纤维束及纤维束间树脂组成的介观微元模型，将步骤ss2计算得出的单胞模型在不同受力状态下纤维束的刚度代入介观微元模型中，计算介观微元模型的结构刚度，并由介观微元模型的结构刚度和织物层板的试验数据进行对比验证，通过反推法修正纤维基体细观弹性常数。
12、ss4.细观-介观应力转换参数提取
13、基于修正纤维和基体细观弹性常数后的细观单胞模型提取细观-介观应力转换参数，包括由于纤维与基体力学性能差异导致的机械应力放大系数矩阵和由于纤维与基体热膨胀系数不同导致的热应力放大系数矩阵，通过对单胞模型分别施加机械应力和热应力以分别计算机械应力放大系数矩阵和热应力放大系数矩阵，同时当纤维或基体性能衰减后，重新计算机械应力放大系数矩阵和热应力放大系数矩阵，最终提取出纤维基体无损状态、纤维损伤状态和基体损伤状态三种状态下的细观-介观应力转换参数。
14、ss5.细观-介观跨尺度失效预测参数传递
15、基于细观纤维基体无损、纤维损伤、基体损伤三套机械应力放大系数矩阵和热应力放大系数矩阵，将纤维和基体的损伤参数传递到纤维跨尺度失效准则中，将纤维基体的细观失效强度作用在细观单胞模型换算出介观纤维束应力，对纤维束编织微元模型进行失效预测，对纤维束内纤维采用最大纵向应力失效准则，对纤维束内基体采用修正von mises破坏准则，对纤维束外大块树脂采用基于剪切的von mises失效准则进行失效预测。
16、ss6.介观微元模型跨尺度失效预测
17、采用ss5步骤中的跨尺度失效准则对介观微元模型中的纤维束和树脂进行失效分析，将介观微元模型即平纹编织代表性单元的失效分析转化为宏观织物板材尺度的预测结果，包括层板的经向/纬向拉伸强度、面内剪切强度、面外剪切强度、面外拉伸强度，并织物板材的力学性能预测结果与试验结果进行对比验证，确定刚度衰减方案和失效准则修正，获得有效的平纹编织复合材料力学性能仿真模型。
18、本专利技术的第2个专利技术目的在于提供一种平纹编织复合材料织物粘接碳纤维拉挤板材结构的拉伸剪切强度预测方法，该方法在实施时基于第1个专利技术目的提供的织物复合材料的跨尺度评价方法，对编织复合材料粘接碳纤维拉挤板材结构的拉伸剪切强度进行预测，对碳纤维拉挤板材施加hashin失效准则实现碳纤维拉挤板材内的碳纤维和树脂失效预判，最终获得采用织物粘接的碳纤维拉挤板材的失效强度和失效模本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种平纹编织复合材料的跨尺度力学性能评价方法，其特征在于，所述跨尺度力学性能评价方法至少包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS2中，所述细观单胞模型基于纤维束内纤维的体积含量对应设置相同比例的纤维和基体以反映纤维束的本征组分特征，其中，所述纤维束内纤维的体积含量基于步骤SS1中织物板材显微观测确定的纤维直径、纤维束总面积以及纤维束内纤维的数量进行估算。
3.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS2中，细观尺度以纤维和基体组成的单胞模型为分析对象，考虑到纤维和基体的间距随机性，通过同时构建正方形单胞和长方形单胞两种几何形式的单胞模型以代表不同的间距分布情况，并通过综合分析两种类型单胞模型以实现考虑间距随机性对力学性能的影响。
4.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS2中，通过施加周期性边界条件和不同方向的应力加载方式，实现单胞模型承受3个方向的主应力(σ11,σ22,σ33)和3个方向的切应力(τ12,τ13
5.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS3中，基于步骤SS1显微观测得到的纤维束长轴宽度、纤维束短轴宽度、纤维束间距以及纤维束总面积，并基于平纹编织代表性单元通过均匀化处理细观单胞模型中经向、纬向纤维束的走向和树脂分布，建立包含平纹编织模式排列的由经向纤维束、纬向纤维束以及中间大块树脂组成的介观微元模型。
6.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS3中，基于介观微元模型计算的织物板材结构刚度与试验数据进行对比验证时，若二者之间的偏差大于设定阈值，则需要反馈修正细观单胞模型中纤维和基体的初始材料属性参数，重复迭代直至微元模型计算的结构刚度与试验数据之间的偏差限定在设定阈值以内。
7.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS4中，纤维束的介观应力到纤维基体的细观应力的传递和转换通过应力放大系数矩阵实现：
8.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS5中，基于纤维基体无损状态、纤维损伤状态和基体损伤状态三种状态下的细观-介观应力转换参数，通过将纤维基体的细观失效强度作用在细观单胞模型上换算出对应的介观应力，使细观层次的失效行为反映在介观层次上而形成为细观-介观跨尺度失效准则，并最终应用在纤维束的失效预测预判上。
9.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS5中，对于纤维束内纤维，将预设的细观纤维拉伸失效强度和压缩失效强度作为其失效预测的判断标准，并使用最大纵向应力破坏准则进行失效预测：
10.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS6中，基于细观-介观跨尺度失效准则对介观微元模型中的纤维束和树脂进行失效分析时，其分析结果包括纤维束内纤维的拉伸失效和压缩失效、纤维束内基体的扭曲失效和膨胀失效以及纤维束外大块树脂的剪切失效。
11.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤SS6中，通过介观微元模型跨尺度失效预测宏观尺度的织物板材的力学性能时，需要将介观微元模型的应力分布和分析结果通过均匀化和尺度转换的方法转化为宏观尺度的织物板材力学性能预测结果，包括织物层板的经向及纬向拉伸强度、面内剪切强度、面外剪切强度和面外拉伸强度，从而实现从介观到宏观尺度的预测。
12.一种平纹编织复合材料织物粘接碳纤维拉挤板材结构的拉伸剪切强度预测方法，其特征在于，基于上述权利要求1～11任一项所述的平纹编织复合材料的跨尺度评价方法对编织复合材料粘接碳纤维拉挤板材结构的拉伸剪切强度进行预测，对碳纤维拉挤板材施加hashin失效准则实现碳纤维拉挤板材内碳纤维和树脂的失效预判，最终获得采用织物粘接的碳纤维拉挤板材的失效强度和失效模式。
13.根据权利要求12所述的平纹编织复合材料织物粘接碳纤维拉挤板材结构的拉伸剪切强度预测方法，其特征在于，对碳纤维拉挤板材施加hashin失效准则实现碳纤维拉挤板材内的碳纤维和树脂失效预判时：
...【技术特征摘要】
1.一种平纹编织复合材料的跨尺度力学性能评价方法，其特征在于，所述跨尺度力学性能评价方法至少包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤ss2中，所述细观单胞模型基于纤维束内纤维的体积含量对应设置相同比例的纤维和基体以反映纤维束的本征组分特征，其中，所述纤维束内纤维的体积含量基于步骤ss1中织物板材显微观测确定的纤维直径、纤维束总面积以及纤维束内纤维的数量进行估算。
3.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤ss2中，细观尺度以纤维和基体组成的单胞模型为分析对象，考虑到纤维和基体的间距随机性，通过同时构建正方形单胞和长方形单胞两种几何形式的单胞模型以代表不同的间距分布情况，并通过综合分析两种类型单胞模型以实现考虑间距随机性对力学性能的影响。
4.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤ss2中，通过施加周期性边界条件和不同方向的应力加载方式，实现单胞模型承受3个方向的主应力(σ11,σ22,σ33)和3个方向的切应力(τ12,τ13,τ23)的状态，分别计算每一介观应力状态下单胞模型中特征点的微应力分布，同时基于应力应变关系计算并提取出9个独立工程常数，包括3个杨氏模量、3个剪切模量和3个泊松比，继而计算出单胞模型的整体刚度即纤维束的刚度参数。
5.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤ss3中，基于步骤ss1显微观测得到的纤维束长轴宽度、纤维束短轴宽度、纤维束间距以及纤维束总面积，并基于平纹编织代表性单元通过均匀化处理细观单胞模型中经向、纬向纤维束的走向和树脂分布，建立包含平纹编织模式排列的由经向纤维束、纬向纤维束以及中间大块树脂组成的介观微元模型。
6.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料跨尺度分析方法，其特征在于，上述步骤ss3中，基于介观微元模型计算的织物板材结构刚度与试验数据进行对比验证时，若二者之间的偏差大于设定阈值，则需要反馈修正细观单胞模型中纤维和基体的初始材料属性参数，重复迭代直至微元模型计算的结构刚度与试验数据之间的偏差限定在设定阈值以内。
7.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭霞，倪虹，戴强，张梅，高峡，
申请(专利权)人：北京市科学技术研究院分析测试研究所北京市理化分析测试中心，
类型：发明
国别省市：
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