纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法

摘要

本发明公开了一种纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法，其包括以下步骤：在纤维织物增强体和陶瓷基体组成的结构中选取一计算单元作为建模和计算的对象；利用组元分解法将计算单元分解为两种虚拟材料；分别设定两种虚拟材料的材料属性；对两种虚拟材料分别进行几何建模、网格划分，得到两个子模型；采用单元多节点约束连接两个子模型构成计算单元模型；设定边界条件、荷载，根据所述边界条件、荷载，对所述计算单元模型的力学性能进行计算。本发明的纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法，可以对材料的力学行为做出全程非线性仿真预测，克服了传统方法存在的建模过程复杂、计算过程不收敛和边界条件处理繁琐的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及材料力学行为的仿真预测领域，特别涉及一种纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法。

背景技术

陶瓷基复合材料具有高比强度、高比刚度和热稳定性好等优良性能，在航空航天领域有着广泛应用。为了详细而清晰地了解材料的性能，需要进行大量的材料试验研究，但由于陶瓷基复合材料造价昂贵，导致试验研究成本太高，因此引入有限元仿真方法来分析预测材料的性能很有必要。

为了较为准确的描述纤维织物增强陶瓷基复合材料的力学行为规律，需要全面且准确地设定材料的力学性能参数和基体与增强体间连接方式等特性。在建模过程中，一方面建模过程中参数的设定、几何尺寸的选取与实际相比会存在误差，另一方面，物理模型的简化过程通常会理想化、简单化，也会不可避免地导致一些误差。因此，为了尽可能降低计算模型的误差，需要进行试验验证工作作为建模的后续研究内容，验证模型的准确性。

现有的纤维织物增强陶瓷基复合材料建模方法十分有限，而且多见于材料初始弹性参数的预测，很少见到材料全程非线性力学响应的预测。同时现有建模方法还存在以下问题：(1)考虑到纤维的形状，基体建模过程中存在大量曲面，引起几何建模的不便；(2)基体存在曲面，在网格划分过程中，会引起网格奇异性，导致迭代不收敛，不利于计算；(3)边界问题处理繁琐。这些问题的存在很大程度上影响了材料的研究进展。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法，可以对纤维织物增强陶瓷基复合材料的力学行为做出全程非线性仿真预测，克服了传统方法存在的几何建模复杂、计算过程不收敛和边界条件处理繁琐的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法，其包括以下步骤：

S11：在纤维织物增强体和陶瓷基体组成的结构中选取一计算单元作为建模和计算的对象；

S12：利用组元分解法将所述计算单元分解为两种虚拟材料；

S13：分别设定两种所述虚拟材料的材料属性；

S14：对两种所述虚拟材料分别进行几何建模、网格划分，得到两个子模型；

S15：采用单元多节点约束连接两个所述子模型构成计算单元模型；

S16：设定边界条件、荷载，根据所述边界条件、荷载，对所述计算单元模型的力学性能进行计算。

较佳地，所述步骤S12具体包括：

S121：利用组元分解法将所述计算单元中的纤维织物增强体分解为两部分，分别为：第一部分和第二部分；

所述第一部分的力学性能与所述陶瓷基体的力学性能相同；

所述第二部分的力学性能等同于所述纤维织物增强体的力学性能减去所述陶瓷基体的力学性能；

S122：所述第一部分与所述陶瓷基体共同构成第一虚拟材料，所述第二部分作为第二虚拟材料。

较佳地，所述步骤S13具体包括：设定所述第一虚拟材料为各项同性材料，其材料属性与所述陶瓷基材料的材料属性相同。

较佳地，所述步骤S13具体包括：设定所述第二虚拟材料为正交各项异性材料属性，其材料弹性参数等于所述纤维织物中增强体的材料弹性参数减去陶瓷基体材料的弹性参数。

较佳地，所述材料属性包括弹性参数和失效准则；进一步地，

所述材料弹性参数包括：材料弹性模量、剪切模量和泊松比。

较佳地，所述步骤S14中：所述第一虚拟材料的子模型在空间上充满整个模型。

较佳地，所述步骤S15具体为：

S151：将所述第一虚拟材料设定为主体材料，所述第二虚拟材料在空间上位于所述第一虚拟材料的内部，两者在空间上存在重合区域；

S152：所述第一虚拟材料子模型与所述第二虚拟材料子模型的连接方式为：

对所述第一虚拟材料子模型及所述第二虚拟材料子模型分别进行网格划分后，

所述第二虚拟材料子模型单元的节点位于所述第一虚拟材料子模型单元的内部；或，所述第二虚拟材料子模型单元的节点位于所述第一虚拟材料子模型单元的面上；或，

所述第二虚拟材料子模型单元的节点位于所述第一虚拟材料子模型单元的条边上；

所述第二虚拟材料子模型单元的节点位于所述第一虚拟材料子模型单元的节点上。

较佳地，所述第二虚拟材料子模型的单元节点的节点位移利用所述第一虚拟材料子模型的多个节点的节点位移插值得到。

较佳地，两个所述虚拟材料均采用实体单元。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法，可以全程地预测材料的非线性力学行为，传统方法大多只能对初始状态的力学行为进行仿真预测，在运算过程中，陶瓷基复合材料出现损伤之后，现有的大部分建模方法无法考虑损伤引起的陶瓷基复合材料非线性力学行为；

(2)本发明的纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法，，利用组元分解法将材料分解为两种虚拟材料，两种虚拟材料独立建模，其中不考虑基体材料存在曲面，这样减少了建模过程中的曲面，避免了建模过程中过多曲面的存在导致的几何建模困难、迭代不收敛和边界处理条件繁琐等问题；

(3)本发明的方法使陶瓷基体和纤维织物增强体之间的连接简化，减少了网格划分，提高了模型的计算速度，同时保证了模型的计算精度。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例的纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法的流程图；

图2为本发明的实施例的计算单元的选取示意图；

图3为本发明的实施例的计算单元中的纤维织物增强体的几何示意图；

图4为本发明的实施例的第二虚拟材料的材料属性设定的局部坐标设定示意图；

图5为本发明的实施例的第一虚拟材料子模型与第二虚拟材料子模型的单元间多节点连接示意图1；

图6为本发明的实施例的第一虚拟材料子模型与第二虚拟材料子模型的单元间多节点连接示意图2；

图7为本发明的实施例的第一虚拟材料子模型与第二虚拟材料子模型的单元间多节点连接示意图3；

图8为本发明的实施例的第一虚拟材料子模型与第二虚拟材料子模型的单元间多节点连接示意图4；

图9为本发明的实施例的第一虚拟材料子模型的网格示意图；

图10为本发明的实施例的第二虚拟材料子模型的网格示意图；

图11为本发明的实施例的第一虚拟材料子模型和第二虚拟材料子模型组合后的网格示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

结合图1-图11，对本发明的纤维织物增强陶瓷基复合材料力学行为的仿真预测方法进行详细描述，如图1所示为其流程图，其包括以下步骤：

S11：在纤维织物增强体和陶瓷基体组成的结构中选取一计算单元作为建模和计算的对象；

S12：利用组元分解法将纤维织物增强体分为两部分：第一部分和第二部分，第一部分为与力学性能与陶瓷基体相同的部分，第二部分的力学性能等同于纤维织物增强体的力学性能减去陶瓷基体的力学性能，假设第一部分与陶瓷基体共同构成第一虚拟材料M，第二部分作为第二虚拟材料F；

S13：分别设定第一虚拟材料M和第二虚拟材料F的材料属性；

S14：对第一虚拟材料M和第二虚拟材料F分别进行几何建模、网格划分，得到两个子模型；

S15：采用单元多节点约束连接两个子模型构成计算单元模型；

S16：设定边界条件、荷载，根据边界条件、荷载，对计算单元模型的力学性能进行计算。

下面以纤维织物增强体为平纹结构为例对本发明进行详细描述，其具体为：

S11具体为：平纹结构的纤维织物增强体包括交错编织的经纱11和纬纱12，按照如图2所示的方式选取计算单元13，或选取其他具有代表性的计算单元，如图3所示为该计算单元的几何示意图，计算单元由两条完整的增强体纤维束A和B和两对互补的半增强体纤维束a1、a2和b1、b2构成，其中A和a1、a2沿着同一走向依次排列，且A位于正中，B和b1、b2沿着同一走向依次排列，且B位于正中，且B、b1、b2的纤维束走向与A、a1、a2的纤维束走向垂直，并交错编织，在此编织结构基础上，在纤维织物增强体的外层附着包裹陶瓷基体构成计算单元。

S12具体为：先将纤维织物增强体分解为两部分，力学性能与陶瓷基体相同的部分和力学性能等同于纤维织物增强体的力学性能减去陶瓷基体的力学性能的部分，分别命名为：第一部分和第二部分，这两部分只是力学性能的分解，在几何空间中二者完全重合；然后假设陶瓷基体和纤维织物增强体中的第一部分共同构成第一虚拟材料M，纤维织物增强体的第二部分构成第二虚拟材料F。

S13具体为：第一虚拟材料M设定为各项同性材料，其所有材料弹性参数与原材料中基体材料的参数相同，同时设定失效准则；第二虚拟材料F设定为正交各项异性材料，其弹性参数存在非线性，通过设定多组弹性参数，其中材料的实时应变为多组参数的选用根据，多组弹性参数在数值上等于纤维织物增强体非线性力学响应中各个分段的割线弹性参数减去陶瓷基体的弹性参数，泊松比设定为纤维织物增强体的泊松比，同时设定材料的最终失效准则，此外还需要设定材料的局部坐标系方向，如图4所示。

S14具体为：对两种虚拟材料进行独立建模，分别为：第一虚拟材料子模型和第二虚拟材料子模型，并对两种子模型进行网格划分，划分的网格示意图分别如图9和10所示，第一虚拟材料M的模型占据整个计算单元的几何空间，第二虚拟材料F在几何上则与纤维织物增强体相同，由此计算单元模型可看作是由充满材料整个计算单元的第一虚拟材料M和第二虚拟材料F共同构成。

S15具体为：采用两子模型中重合单元多节点约束来连接两子模型，以六面体单元为例，具体可以采用以下四种方式：(1)如图5所示，第二虚拟材料F的单元节点位于第一虚拟材料M的单元内部，这时通过第一虚拟材料M单元的八个节点来插值得到第二虚拟材料F的单元节点的变化；(2)如图6所示，第二虚拟材料F的单元节点位于第二虚拟材料M的六单元的某个面上，这时通过第二虚拟材料F的单元节点所在的第一虚拟材料M的单元的面上的4个节点来插值得到第二虚拟材料F的单元节点的变化；(3)如图7所示，第二虚拟材料F的单元节点位于第一虚拟材料M的单元某条边上，此时通过第二虚拟材料F的单元节点所在第一虚拟材料M的单元的边上的两个节点来来插值得到第二虚拟材料F的单元节点的变化；(4)如图8所示，第二虚拟材料F的单元节点位于第一虚拟材料M的单元的某个节点上，此时第二虚拟材料F的单元节点的变化与所在第二虚拟材料M的单元的节点相同。如是建立了两种虚拟材料的连接方式，组合得到计算单元模型，如图11所示为组合后的计算单元模型的网格示意图，并对计算单元模型的一部分进行了放大。

S16：对计算单元模型设定边界条件和荷载，根据边界条件和荷载，对计算单元模型的力学性能进行计算。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。