纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其包括以下步驟：在纖維織物增強體和陶瓷基體組成的結(jié)構(gòu)中選取一計算單元作為建模和計算的對象；利用組元分解法將計算單元分解為兩種虛擬材料；分別設(shè)定兩種虛擬材料的材料屬性；對兩種虛擬材料分別進行幾何建模、網(wǎng)格劃分，得到兩個子模型；采用單元多節(jié)點約束連接兩個子模型構(gòu)成計算單元模型；設(shè)定邊界條件、荷載，根據(jù)所述邊界條件、荷載，對所述計算單元模型的力學(xué)性能進行計算。本發(fā)明的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，可以對材料的力學(xué)行為做出全程非線性仿真預(yù)測，克服了傳統(tǒng)方法存在的建模過程復(fù)雜、計算過程不收斂和邊界條件處理繁瑣的問題。
【專利說明】
纖維織物増強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測領(lǐng)域，特別涉及一種纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷基復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。為了詳細而清晰地了解材料的性能，需要進行大量的材料試驗研究，但由于陶瓷基復(fù)合材料造價昂貴，導(dǎo)致試驗研究成本太高，因此引入有限元仿真方法來分析預(yù)測材料的性能很有必要。
[0003]為了較為準(zhǔn)確的描述纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)行為規(guī)律，需要全面且準(zhǔn)確地設(shè)定材料的力學(xué)性能參數(shù)和基體與增強體間連接方式等特性。在建模過程中，一方面建模過程中參數(shù)的設(shè)定、幾何尺寸的選取與實際相比會存在誤差，另一方面，物理模型的簡化過程通常會理想化、簡單化，也會不可避免地導(dǎo)致一些誤差。因此，為了盡可能降低計算模型的誤差，需要進行試驗驗證工作作為建模的后續(xù)研究內(nèi)容，驗證模型的準(zhǔn)確性。
[0004]現(xiàn)有的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料建模方法十分有限，而且多見于材料初始彈性參數(shù)的預(yù)測，很少見到材料全程非線性力學(xué)響應(yīng)的預(yù)測。同時現(xiàn)有建模方法還存在以下問題:(I)考慮到纖維的形狀，基體建模過程中存在大量曲面，引起幾何建模的不便；(2)基體存在曲面，在網(wǎng)格劃分過程中，會引起網(wǎng)格奇異性，導(dǎo)致迭代不收斂，不利于計算；(3)邊界問題處理繁瑣。這些問題的存在很大程度上影響了材料的研究進展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，可以對纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)行為做出全程非線性仿真預(yù)測，克服了傳統(tǒng)方法存在的幾何建模復(fù)雜、計算過程不收斂和邊界條件處理繁瑣的問題。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其包括以下步驟:
[0008]Sll:在纖維織物增強體和陶瓷基體組成的結(jié)構(gòu)中選取一計算單元作為建模和計算的對象；
[0009]S12:利用組元分解法將所述計算單元分解為兩種虛擬材料；
[0010]S13:分別設(shè)定兩種所述虛擬材料的材料屬性；
[0011 ] S14:對兩種所述虛擬材料分別進行幾何建模、網(wǎng)格劃分，得到兩個子模型；
[0012]S15:采用單元多節(jié)點約束連接兩個所述子模型構(gòu)成計算單元模型；
[0013]S16:設(shè)定邊界條件、荷載，根據(jù)所述邊界條件、荷載，對所述計算單元模型的力學(xué)性能進行計算。
[0014]較佳地，所述步驟SI2具體包括:
[0015]S121:利用組元分解法將所述計算單元中的纖維織物增強體分解為兩部分，分別為:第一部分和第二部分；
[0016]所述第一部分的力學(xué)性能與所述陶瓷基體的力學(xué)性能相同；
[0017]所述第二部分的力學(xué)性能等同于所述纖維織物增強體的力學(xué)性能減去所述陶瓷基體的力學(xué)性能；
[0018]S122:所述第一部分與所述陶瓷基體共同構(gòu)成第一虛擬材料，所述第二部分作為第二虛擬材料。
[0019]較佳地，所述步驟SI3具體包括:設(shè)定所述第一虛擬材料為各項同性材料，其材料屬性與所述陶瓷基材料的材料屬性相同。
[0020]
[0021]較佳地，所述步驟S13具體包括:設(shè)定所述第二虛擬材料為正交各項異性材料屬性，其材料彈性參數(shù)等于所述纖維織物中增強體的材料彈性參數(shù)減去陶瓷基體材料的彈性參數(shù)。
[0022]較佳地，所述材料屬性包括彈性參數(shù)和失效準(zhǔn)則;進一步地，
[0023]所述材料彈性參數(shù)包括:材料彈性模量、剪切模量和泊松比。
[0024]較佳地，所述步驟S14中:所述第一虛擬材料的子模型在空間上充滿整個模型。
[0025]較佳地，所述步驟SI5具體為:
[0026]S151:將所述第一虛擬材料設(shè)定為主體材料，所述第二虛擬材料在空間上位于所述第一虛擬材料的內(nèi)部，兩者在空間上存在重合區(qū)域；
[0027]S152:所述第一虛擬材料子模型與所述第二虛擬材料子模型的連接方式為:
[0028]對所述第一虛擬材料子模型及所述第二虛擬材料子模型分別進行網(wǎng)格劃分后，
[0029]所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的內(nèi)部；或，所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的面上;或，
[0030]所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的條邊上；
[0031 ]所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的節(jié)點上。
[0032]較佳地，所述第二虛擬材料子模型的單元節(jié)點的節(jié)點位移利用所述第一虛擬材料子模型的多個節(jié)點的節(jié)點位移插值得到。
[0033]較佳地，兩個所述虛擬材料均采用實體單元。
[0034]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0035](I)本發(fā)明提供的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，可以全程地預(yù)測材料的非線性力學(xué)行為，傳統(tǒng)方法大多只能對初始狀態(tài)的力學(xué)行為進行仿真預(yù)測，在運算過程中，陶瓷基復(fù)合材料出現(xiàn)損傷之后，現(xiàn)有的大部分建模方法無法考慮損傷引起的陶瓷基復(fù)合材料非線性力學(xué)行為；
[0036](2)本發(fā)明的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，，利用組元分解法將材料分解為兩種虛擬材料，兩種虛擬材料獨立建模，其中不考慮基體材料存在曲面，這樣減少了建模過程中的曲面，避免了建模過程中過多曲面的存在導(dǎo)致的幾何建模困難、迭代不收斂和邊界處理條件繁瑣等問題；
[0037](3)本發(fā)明的方法使陶瓷基體和纖維織物增強體之間的連接簡化，減少了網(wǎng)格劃分，提高了模型的計算速度，同時保證了模型的計算精度。
[0038]當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。
【附圖說明】
[0039]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明:
[0040]圖1為本發(fā)明的實施例的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法的流程圖；
[0041 ]圖2為本發(fā)明的實施例的計算單元的選取示意圖；
[0042]圖3為本發(fā)明的實施例的計算單元中的纖維織物增強體的幾何示意圖；
[0043]圖4為本發(fā)明的實施例的第二虛擬材料的材料屬性設(shè)定的局部坐標(biāo)設(shè)定示意圖；
[0044]圖5為本發(fā)明的實施例的第一虛擬材料子模型與第二虛擬材料子模型的單元間多節(jié)點連接示意圖1;
[0045]圖6為本發(fā)明的實施例的第一虛擬材料子模型與第二虛擬材料子模型的單元間多節(jié)點連接示意圖2;
[0046]圖7為本發(fā)明的實施例的第一虛擬材料子模型與第二虛擬材料子模型的單元間多節(jié)點連接示意圖3;
[0047]圖8為本發(fā)明的實施例的第一虛擬材料子模型與第二虛擬材料子模型的單元間多節(jié)點連接示意圖4;
[0048]圖9為本發(fā)明的實施例的第一虛擬材料子模型的網(wǎng)格示意圖；
[0049]圖10為本發(fā)明的實施例的第二虛擬材料子模型的網(wǎng)格示意圖；
[0050]圖11為本發(fā)明的實施例的第一虛擬材料子模型和第二虛擬材料子模型組合后的網(wǎng)格不意圖。
【具體實施方式】
[0051]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0052]結(jié)合圖1-圖11，對本發(fā)明的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法進行詳細描述，如圖1所示為其流程圖，其包括以下步驟:
[0053]Sll:在纖維織物增強體和陶瓷基體組成的結(jié)構(gòu)中選取一計算單元作為建模和計算的對象；
[0054]SI 2:利用組元分解法將纖維織物增強體分為兩部分:第一部分和第二部分，第一部分為與力學(xué)性能與陶瓷基體相同的部分，第二部分的力學(xué)性能等同于纖維織物增強體的力學(xué)性能減去陶瓷基體的力學(xué)性能，假設(shè)第一部分與陶瓷基體共同構(gòu)成第一虛擬材料M，第二部分作為第二虛擬材料F;
[0055]S13:分別設(shè)定第一虛擬材料M和第二虛擬材料F的材料屬性；
[0056]S14:對第一虛擬材料M和第二虛擬材料F分別進行幾何建模、網(wǎng)格劃分，得到兩個子模型；
[0057]S15:采用單元多節(jié)點約束連接兩個子模型構(gòu)成計算單元模型；
[0058]S16:設(shè)定邊界條件、荷載，根據(jù)邊界條件、荷載，對計算單元模型的力學(xué)性能進行計算。
[0059]下面以纖維織物增強體為平紋結(jié)構(gòu)為例對本發(fā)明進行詳細描述，其具體為:
[0060]Sll具體為:平紋結(jié)構(gòu)的纖維織物增強體包括交錯編織的經(jīng)紗11和瑋紗12，按照如圖2所示的方式選取計算單元13，或選取其他具有代表性的計算單元，如圖3所示為該計算單元的幾何示意圖，計算單元由兩條完整的增強體纖維束A和B和兩對互補的半增強體纖維束al、a2和bl、b2構(gòu)成，其中A和al、a2沿著同一走向依次排列，且A位于正中，13和131、b2沿著同一走向依次排列，且B位于正中，且B、bl、b2的纖維束走向與A、al、a2的纖維束走向垂直，并交錯編織，在此編織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在纖維織物增強體的外層附著包裹陶瓷基體構(gòu)成計算單元。
[0061]S12具體為:先將纖維織物增強體分解為兩部分，力學(xué)性能與陶瓷基體相同的部分和力學(xué)性能等同于纖維織物增強體的力學(xué)性能減去陶瓷基體的力學(xué)性能的部分，分別命名為:第一部分和第二部分，這兩部分只是力學(xué)性能的分解，在幾何空間中二者完全重合;然后假設(shè)陶瓷基體和纖維織物增強體中的第一部分共同構(gòu)成第一虛擬材料M，纖維織物增強體的第二部分構(gòu)成第二虛擬材料F。
[0062]SI 3具體為:第一虛擬材料M設(shè)定為各項同性材料，其所有材料彈性參數(shù)與原材料中基體材料的參數(shù)相同，同時設(shè)定失效準(zhǔn)則;第二虛擬材料F設(shè)定為正交各項異性材料，其彈性參數(shù)存在非線性，通過設(shè)定多組彈性參數(shù)，其中材料的實時應(yīng)變?yōu)槎嘟M參數(shù)的選用根據(jù)，多組彈性參數(shù)在數(shù)值上等于纖維織物增強體非線性力學(xué)響應(yīng)中各個分段的割線彈性參數(shù)減去陶瓷基體的彈性參數(shù)，泊松比設(shè)定為纖維織物增強體的泊松比，同時設(shè)定材料的最終失效準(zhǔn)則，此外還需要設(shè)定材料的局部坐標(biāo)系方向，如圖4所示。
[0063]S14具體為:對兩種虛擬材料進行獨立建模，分別為:第一虛擬材料子模型和第二虛擬材料子模型，并對兩種子模型進行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格示意圖分別如圖9和10所示，第一虛擬材料M的模型占據(jù)整個計算單元的幾何空間，第二虛擬材料F在幾何上則與纖維織物增強體相同，由此計算單元模型可看作是由充滿材料整個計算單元的第一虛擬材料M和第二虛擬材料F共同構(gòu)成。
[0064]S15具體為:采用兩子模型中重合單元多節(jié)點約束來連接兩子模型，以六面體單元為例，具體可以采用以下四種方式:(I)如圖5所示，第二虛擬材料F的單元節(jié)點位于第一虛擬材料M的單元內(nèi)部，這時通過第一虛擬材料M單元的八個節(jié)點來插值得到第二虛擬材料F的單元節(jié)點的變化；(2)如圖6所示，第二虛擬材料F的單元節(jié)點位于第二虛擬材料M的六單元的某個面上，這時通過第二虛擬材料F的單元節(jié)點所在的第一虛擬材料M的單元的面上的4個節(jié)點來插值得到第二虛擬材料F的單元節(jié)點的變化；(3)如圖7所示，第二虛擬材料F的單元節(jié)點位于第一虛擬材料M的單元某條邊上，此時通過第二虛擬材料F的單元節(jié)點所在第一虛擬材料M的單元的邊上的兩個節(jié)點來來插值得到第二虛擬材料F的單元節(jié)點的變化；(4)如圖8所示，第二虛擬材料F的單元節(jié)點位于第一虛擬材料M的單元的某個節(jié)點上，此時第二虛擬材料F的單元節(jié)點的變化與所在第二虛擬材料M的單元的節(jié)點相同。如是建立了兩種虛擬材料的連接方式，組合得到計算單元模型，如圖11所示為組合后的計算單元模型的網(wǎng)格示意圖，并對計算單元模型的一部分進行了放大。
[0065]S16:對計算單元模型設(shè)定邊界條件和荷載，根據(jù)邊界條件和荷載，對計算單元模型的力學(xué)性能進行計算。
[0066]此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，并不是對本發(fā)明的限定。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在說明書范圍內(nèi)所做的修改和變化，均應(yīng)落在本發(fā)明所保護的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟: Sll:在纖維織物增強體和陶瓷基體組成的結(jié)構(gòu)中選取一計算單元作為建模和計算的對象； S12:利用組元分解法將所述計算單元分解為兩種虛擬材料； S13:分別設(shè)定兩種所述虛擬材料的材料屬性； S14:對兩種所述虛擬材料分別進行幾何建模、網(wǎng)格劃分，得到兩個子模型； S15:采用單元多節(jié)點約束連接兩個所述子模型構(gòu)成計算單元模型； S16:設(shè)定邊界條件、荷載，根據(jù)所述邊界條件、荷載，對所述計算單元模型的力學(xué)性能進行計算。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟SI 2具體包括: S121:利用組元分解法將所述計算單元中的纖維織物增強體分解為兩部分，分別為:第一部分和第二部分； 所述第一部分的力學(xué)性能與所述陶瓷基體的力學(xué)性能相同； 所述第二部分的力學(xué)性能等同于所述纖維織物增強體的力學(xué)性能減去所述陶瓷基體的力學(xué)性能； S122:所述第一部分與所述陶瓷基體共同構(gòu)成第一虛擬材料，所述第二部分作為第二虛擬材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S13具體包括:設(shè)定所述第一虛擬材料為各項同性材料，其材料屬性與所述陶瓷基材料的材料屬性相同。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S13具體包括:設(shè)定所述第二虛擬材料為正交各項異性材料屬性，其材料彈性參數(shù)等于所述纖維織物中增強體的材料彈性參數(shù)減去陶瓷基體材料的彈性參數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述材料屬性包括彈性參數(shù)和失效準(zhǔn)則;進一步地， 所述材料彈性參數(shù)包括:材料彈性模量、剪切模量和泊松比。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S14中:所述第一虛擬材料的子模型在空間上充滿整個模型。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S15具體為: S151:將所述第一虛擬材料設(shè)定為主體材料，所述第二虛擬材料在空間上位于所述第一虛擬材料的內(nèi)部，兩者在空間上存在重合區(qū)域； S152:所述第一虛擬材料子模型與所述第二虛擬材料子模型的連接方式為: 對所述第一虛擬材料子模型及所述第二虛擬材料子模型分別進行網(wǎng)格劃分后， 所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的內(nèi)部;或， 所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的面上;或， 所述第二虛擬材料子模型單元的節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的邊上； 所述第二虛擬材料子模型的單元節(jié)點位于所述第一虛擬材料子模型單元的節(jié)點上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，所述第二虛擬材料子模型的單元節(jié)點的節(jié)點位移利用所述第一虛擬材料子模型的多個節(jié)點的節(jié)點位移插值得到。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維織物增強陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為的仿真預(yù)測方法，其特征在于，兩個所述虛擬材料均采用實體單元。
【文檔編號】G06F17/50GK105956347SQ201610493588
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】張大旭, 陳明明, 祁荷音, 許子璇, 王浩偉
【申請人】上海交通大學(xué)