一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法
【专利摘要】本发明公开了一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法。该方法基于偏光显微镜技术获得的纤维和基体的尺寸大小、空间分布情况，以及已知的组分材料的性能，使用有限元软件对材料的双轴试验进行模拟，同时确定试验过程中材料的破坏机理及过程。将有限元软件模拟的结果与双轴试验机获得的真实数据进行对比，当两者几乎完全吻合时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。本发明操作简单，可重复性强，对编织复合材料各种复杂载荷情况均试用，能更精确地、全面地反映编织复合材料在复杂载荷情况下的力学响应，特别地能够直观反映在试验中不能观察到的材料微观破坏机理及过程。
【专利说明】一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于试验测定材料参数【技术领域】，涉及一种编织复合材料的双轴试验参数测定方法。
【背景技术】
[0002]编织复合材料由于其具有良好的整体性，在航空航天领域得到了越来越多的应用，相应地增加了用科学的方法来表征材料性能的需要，以此来指导材料的设计和运用，而使用试验的方法来准确确定材料性能参数，无疑是这种需要中重要的基础性工作。编织复合材料的一个具体例子为3D编织复合材料，其不仅在X、Y两个方向上有增强的纤维，而且在Z方向也有增强的纤维棒，以此来对材料整个空间进行加强，纤维与基本之间采用特殊的工艺来加强两种不同材料之间的界面，使之构成一个整体性很强的材料。
[0003]编织复合材料力学性能的测试原理是将材料采用线切割等方法将材料加工成标准所规定的大小、尺寸，在力学试验机上进行简单力学性能试验，以此来确定材料的单轴拉伸模量、泊松比、强度；单轴压缩模量、泊松比、强度；剪切模量、强度。由于编织复合材料优异的特性，其使用环境特殊，往往承受的是复杂载荷形式，因此测量材料的双轴力学性能显得尤为重要。但材料双轴试验形式多样，不仅包括拉-拉、拉-压、拉-剪、压-剪等内容，而且每种还能设定不同的载荷比，每种不同的形式得到的数据差异很大，如何科学准确地通过双轴试验来表征材料的性能成为新的挑战。而双轴试验数据的获得无疑将完善材料的力学性能数据。
[0004]有限元软件模拟是一种强大的虚拟试验技术，将实验室中真实的试件在软件中进行建模操作，可以准确建立材料的空间分布和尺寸大小，并对模型的不同区域赋予相应的材料性能参数，完成真实材料模型在虚拟试验中的重构，而且有限元软件业还有优秀的二次开发能力，一方面可以通过Python软件对有限元的数据文件进行直接操作，编写一个函数对具有相同特征的数据进行批量化处理，另一方面还可以通过编写Fortran用户子程序来考虑复杂受力条件下的损伤，最后将真实材料的受力情况施加给材料，通过软件求解来得到模拟结果。
[0005]编织复合材料很多是脆性材料，在试验加载过程中，表面出现初始裂纹到最终破坏时间短暂，很难观测到破坏过程，仅可以观察破坏后的形貌，使用有限元方法进行模拟不仅可以模拟材料的试验获得的材料性能数据，而且可能模拟材料的破坏过程，特别地可以模拟无法直接观察到的材料内部损伤、破坏过程。
【发明内容】
[0006]针对编织复合材料复杂载荷条件下的力学性能参数的测试与表征，本发明提出了一种用于测定参数的方法，即:基于偏光显微镜技术联合实验测量与有限元软件模拟的编织复合材料双轴力学性能试验性能参数测定方法。[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，包括如下步骤:
[0009]一、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值；
[0010]二、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量ETf和基体模量Em ；
[0011]三、(I)根据步骤一所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立；(2)将步骤二所确定的纤维束横向模量ETf、基体模量Em，以及纤维生产厂家所提供的纤维束性能参数赋予模型，而其余未直接得到的参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予；(3)编写Python软件操作Abaqus生成的inp文件,编写方程,施加周期性边界条件,将纤维/基体的界面考虑成O厚度的内聚力单元，编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD程序将两种不同材料及所对应的破坏准则改造成统一的形式；(4)模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减后继续进行迭代计算；
(5)使用Abaqus自带的状态函数SDV表征材料破坏机理；(6)最后完成对各种复杂载荷情况下的双轴试验的模拟，得到模拟的应力-应变数据；
[0012]四、在双轴试验机上对编织复合材料进行双轴试验，进行不同载荷比的拉-拉、压-压、拉-压、拉-剪、压-剪试验，确定试验数据及观察破坏宏观形貌；
[0013]五、将模拟的结果同相应的双轴试验真实数据进行对比，调整步骤三中根据文献和经验确定的参数，使有限元模拟的结果逐渐接近真实数据；
[0014]六、当模拟的数据与真实数据接近，差异小于5 %时，且保证状态函数SDV所表示的破坏形式与真实破坏相同时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。
[0015]本发明基于偏光显微镜技术获得的纤维和基体的尺寸大小、空间分布情况，以及已知的组分材料的性能，使用有限元软件对材料的双轴试验进行模拟，同时确定试验过程中材料的破坏机理及过程。将有限元软件模拟的结果与双轴试验机获得的真实数据进行对t匕，当两者几乎完全吻合时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。本发明操作简单，可重复性强，对编织复合材料各种复杂载荷情况均试用，能更精确地、全面地反映编织复合材料在复杂载荷情况下的力学响应，特别地能够直观反映在试验中不能观察到的材料微观破坏机理及过程，能够使用模拟的方法得到实验中无法直接进行测量的材料性能参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为偏光显微镜观测到的材料形貌图；
[0017]图2为纳米压痕仪所记录的载荷-深度曲线示意图；
[0018]图3为Abaqus/CAE建立的材料模型；
[0019]图4为Abaqus/CAE建立的O厚度界面单元；[0020]图5为对材料进行1:1比例的双向压缩力学性能测试试验；
[0021]图6为经过合理化参数调整后的应力分布图；
[0022]图7为某增量步过程中Abaqus软件模拟的损伤云图；
[0023]图8为1:1比例的双向压-压条件下真实数据与模拟数据比较图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0025]【具体实施方式】一:本实施方式提供了一种使用有限兀方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，该方法需要完成不同形式的双轴试验，需要偏光显微镜、纳米压痕仪，需要有限元软件Abaqus和一定的编程能力，其包括如下步骤:
[0026]1、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值；
[0027]2、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量ETf和基体模量Em ；
[0028]3、根据步骤⑴所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立，然后将步骤(2)所确定的纤维束横向模量ETf、基体模量Em，以及纤维生产厂家所提供的纤维纵向模量Ew、拉伸强
度K、压缩强度校等参数赋予模型，而其余未直接得到的参数，如纤维束和基体泊松比V、
基体拉伸和压缩强度<、K等参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予，接着编写Python软件操作Abaqus生成的inp文件,编写方程,施加周期性边界条件，同时把纤维/基体的界面考虑成O厚度的内聚力单元(cohesive element),方便赋予界面属性，这样就可以通过代表性体积单元来反映整体的性能，同时编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD，为表征损伤，采用国际上通用的准则，当基体为脆性材料时，如碳基体，则纤维束使用三维Hashin失效准则、基体采用最大应力失效准则的损伤判定程序，当基体为塑性材料时，如树脂，纤维束使用Tsa1-Wu失效准则、基体采用Mises准则的损伤判定程序，模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减(一般取90% )后继续进行迭代计算，为使两种不同的材料在USDFLD—个程序中使用，本方法将纤维束失效准则和基体失效准则改造成统一的形式，方便程序正确调用，具体改造方式为，当纤维和基体的准则类似时，采用参数化分别对两种材料的参数赋不同的值，当纤维准则中出现基体所没有的准则时，将纤维的准则整体乘以一个参数β，令纤维的β值等于I，基体的β值等于O,如Hashin和最大应力准则的改造:纤维束L方向(纵向拉伸)(拉伸和压缩分别用下标t、c来区分)以及T/Z(横向和法向)拉伸和压缩剪切初始损伤判据为:
【权利要求】
1.一种使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述方法步骤如下: 一、使用偏光显微镜对编织复合材料进行观测，利用其周期性，确定其最小的代表性体积单元，并对若干个代表性体积单元内的纤维束和基体的尺寸大小和空间分布情况进行准确测量，取其平均值； 二、将编织复合材料粗磨至纳米压痕仪要求的形状后，分别对试样不同位置采用纳米压痕技术确定纤维束横向模量ETf和基体模量Em ； 三、(I)根据步骤一所确定的纤维束和基体的尺寸大小、空间分布，作为已知参数，输入有限元软件Abaqus的CAE模块中进行建模操作，完成模型建立；(2)将步骤二所确定的纤维束横向模量ETf、基体模量Em，以及纤维生产厂家所提供的纤维束性能参数赋予模型，而其余未直接得到的参数根据相关文献和经验进行设定，完成材料属性的赋予；(3)编写Python软件操作Abaqus生成的inp文件,编写方程,施加周期性边界条件,将纤维/基体的界面考虑成O厚度的内聚力单元，编写Abaqus自带的用户子程序USDFLD程序将两种不同材料及所对应的破坏准则改造成统一的形式；(4)模型在加载过程中当模型的单元应力达到损伤判据时，对单元的材料属性进行不同比例、一定程度的折减后继续进行迭代计算；(5)使用Abaqus自带的状态函数SDV表征材料破坏机理；(6)最后完成对各种复杂载荷情况下的双轴试验的模拟，得到模拟的应力-应变数据； 四、在双轴试验机上对编织复合材料进行双轴试验，进行不同载荷比的拉-拉、压-压、拉-压、拉-剪、压-剪试验，确定试验数据及观察破坏宏观形貌； 五、将模拟的结果同相应的双轴试验真实数据进行对比，调整步骤三中根据文献和经验确定的参数，使有限元模拟的结果逐渐接近真实数据； 六、当模拟的数据与真实数据接近，差异小于5%时，且保证状态函数SDV所表示的破坏形式与真实破坏相同时，表明该方法有效可行，同时表明使用该方法模拟的材料破坏过程也相当可信。
2.根据权利要求1所述的使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述具体改造方式为:采用参数化分别对两种材料的参数赋不同的值，当纤维准则中出现基体所没有的准则时，将纤维的准则整体乘以一个参数β，令纤维的β值等于1，基体的β值等于O。
3.根据权利要求1所述的使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述基体为脆性材料时，纤维束使用三维Hashin失效准则、基体采用最大应力失效准则的损伤判定程序。
4.根据权利要求1所述的使用有限元方法模拟编织复合材料双轴试验确定材料性能参数的方法，其特征在于所述基体为塑性材料时，纤维束使用Tsa1-Wu失效准则、基体采用Mises准则的损伤判定程序。
【文档编号】G06F17/50GK103970969SQ201410238761
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】徐德昇, 许承海, 张瑾瑜, 孟松鹤, 杜善义 申请人:哈尔滨工业大学