将复材参数逆向迭代进行层合板细-宏观耦合分析的方法与流程

1.本发明涉及一种通过材料数据库进行层合板细-宏观耦合分析的方法，可应用于复合材料层合板细观与宏观的等效特性计算以及预测。


背景技术：

2.复合材料由两种或两种以上的材料通过物理或化学的方式混合而得到，复合材料由基体相和增强相组成，在宏观尺度上表现为一种优于其单一组分性能的新型材料。然而随着对复合材料研究的深入，其在细观结构和复合机理中存在的复杂力学问题也不容忽视，且会对复合材料的宏观性能产生极大的影响。
3.细观力学上通常认为其受到均匀的边界条件作用，且处于统计均匀场内，可以由施加均匀应变(位移)边界条件和均匀应力边界条件来实现。而复合材料的宏观性能和各代表性体积元(rve)的组分性能与结构具有定量关系，因此复合材料领域中对材料性能研究时多选取rve。材料在细观尺度上的应力应变场通过体积平均值来影响材料的宏观性能，而这些场量在代表性体积元内的平均值与复合材料内的平均值相同。现有复合材料基于微观、细观结构与组分性能来确定材料的宏观性能的方法，如果做到满足rve尺寸远小于结构特征尺寸，且具有rve尺度在宏观和细观上的二重性，即可将细观建模计算平均力学参数用来描述宏观等效力学性能。但该方法理论与实际实施计算起来流程十分复杂，很难进行快速高效的建模与计算。
4.近年来，基于计算机数值模拟计算复合材料等效特性的研究日趋成为加速新复合材料开发进程的有效途径。由于材料模拟方法的发展和计算机运算速度的跃变，可以在接受的时间内完成对成千上万候选材料结构的计算，这为材料设计的顺利开展创造了条件。开展以优化某种特定功能为目的的材料设计研究可以指导实验快速地找到性能优异的功能材料，同时有助于加深对材料-结构一性质”对应关系的物理理解。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：针对复合材料细观结构对宏观性能影响的问题，提供一种通过材料数据库进行层合板细-宏观耦合分析的仿真模拟方法。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种将复材参数逆向迭代进行层合板细-宏观耦合分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1、进行复合材料层合板细观分析，设置复合材料层合板所需基体相和增强相的材料参数、铺层方向、铺层厚度以及复合材料结构组分；
8.步骤2、运行层合板分析得到结果，查看结果后进行层合板参数保存与传递，将复材层合板有效特性转换至宏观分析中，包括以下步骤：
9.步骤201、基于步骤1设置的参数对层合板建模后，对层合板模型截面使用经典层压理论计算得到层合板abd矩阵和热膨胀系数；
10.步骤202、通过创建截面，将层合板的abd矩阵参数以截面属性的形式保存至材料
参数库中，并同时将所有层合板abd矩阵重新排列得到一个材料的abd矩阵abd matrix，将材料的abd矩阵abd matrix传递至复材宏观分析中；
11.步骤3、在宏观分析中建立复合材料层合板模型，划分网格后添加复材层合板细观分析得到的材料参数，施加边界添加载荷后进行复合材料层合板宏观分析；
12.步骤4、查看并分析宏观分析结果是否达到预期结果；
13.步骤5、根据宏观分析结果，对层合板细观分析设置进行改进，并重复步骤1至步骤4，直至宏观分析结果达到预期结果。
14.优选地，步骤1中，所述材料参数包括线弹性参数和热膨胀系数；所述复合材料结构组分包括层合板中各层的纤维材料、基体材料以及纤维体积分数。
15.优选地，步骤1中，所述弹性参数包括各向同性线弹性参数、横观各向异性线弹性参数和正交各向异性线弹性参数；所述热膨胀系数包括各向同性热膨胀系数、各向异性热膨胀系数。
16.优选地，步骤202中，层合板通过膜公式a
ij
、膜-弯曲耦合公式b
ij
以及弯曲刚度公式d
ij
来概括：
[0017][0018][0019][0020]
式中，hk为第k层的铺层厚度，下标i、j表示方向，i，j＝1，2，6，1、2、6分别表示相互正交的不同方向；
[0021]
是转换后的折减薄层弹性，和[t]4是一个4阶张量，q
ij
是减少的刚度，下标k在代表着在层合板中第k层，和q
ij
的关系如下：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027][0028]
则膜公式矩阵，表示为：
[0029][0030]
膜-弯曲耦合公式矩阵，表示为：
[0031][0032]
弯曲刚度公式矩阵，表示为：
[0033][0034]
上式中，为层合板铺层参数，分别为面内刚度、耦合刚度、面外刚度的铺层参数；ui，i＝1，2，3，4，5，为5个材料刚度不变量，通过以下公式计算：
[0035][0036]
则材料的abd矩阵abd matrix表示为：
[0037][0038]
由于abd矩阵具有对称性，因此有矩阵中a
21
＝a
12
、a
61
＝a
16
、a
62
＝a
26
、b
21
＝b
12
、b
61
＝b
16
、b
62
＝b
26
、d
21
＝d
12
、d
61
＝d、d
62
＝d
26
。
[0039]
本发明可以实现对复合材料层合板的细观结构进行快速设计，并预测不同材料以及体积分数下的复合材料层合板的等效特性。之后，通过将计算出的等效特性参数在数据库中进行保存并传递应用于复合材料的宏观分析中，可以大大提高设计复合材料层合板结构的效率，通过细观宏观分析耦合的方法，增强对复合材料等效特性影响的准确度和高效性。
[0040]
本发明所提供的方法，能够利用参数的保存与传递来将复合材料层合板细观与宏观结构进行耦合的仿真软件来模拟计算复合材料层合板宏观结构的等效特性，可以快速预测不同材料、体积分数以及铺层设置下复合材料层合板的等效特性，并通过计算出的结果进行快速设计，避免了对复合材料的单次计算次数，建立整个复合材料层合板的分析模型，从而在减少了计算次数、时间和资源浪费的情况下能够保证结果准确度和计算效率。
附图说明
[0041]
图1为本发明的流程图；
[0042]
图2示意了层压理论计算模型；
[0043]
图3示意了复材宏观分析模型；
[0044]
图4示意了复材宏观分析划分网格；
[0045]
图5示意了复材宏观分析结果云图。
具体实施方式
[0046]
本说明书中附图所显示的大小、比例等只是示意性的，用以配合说明书所描述的内容，并非用以限定本发明的实施条件，不影响本发明所产生的功效。本说明书中所述的“上”、“下”、“内”、“外”等位置关系仅是为了方便描述，而非用以限定本发明的可实施范围，其相对关系的改变，在无实质变更技术内容下亦视为本发明的可实施范畴。
[0047]
为研究复合材料细观结构对宏观等效特性的影响，本发明公开了通过使用复合材料参数保存与传递，可以将复合材料细观与宏观进行耦合分析的软件，其。进行复合材料细观与宏观耦合分析包括以下步骤：
[0048]
步骤1、进行复合材料层合板细观分析，设置复合材料层合板所需基体相和增强相的材料参数、铺层方向、铺层厚度以及复合材料结构组分。
[0049]
材料参数包括线弹性参数和热膨胀系数。弹性参数进一步包括各向同性线弹性参数、横观各向异性线弹性参数和正交各向异性线弹性参数。热膨胀系数进一步包括各向同性热膨胀系数、各向异性热膨胀系数。
[0050]
复合材料结构组分包括层合板中各层的纤维材料、基体材料以及纤维体积分数。
[0051]
步骤2、运行层合板分析得到结果，查看结果后进行层合板参数保存与传递，将复材层合板有效特性转换至宏观分析中，包括以下步骤：
[0052]
步骤201、基于步骤1设置的参数对层合板建模后，对层合板模型进行分析得到层合板abd矩阵和热膨胀系数。本实施例中，层合板abd矩阵和热膨胀系数是通过在层合板截面使用经典层压理论计算而得。堆叠顺序和薄层材料属性用于计算正交各向异性层压板属性。这些层压板被视为由单个薄片组成并使用扩展经典层压方程来计算层压板、正交各向异性或其他的各向异性属性。
[0053]
结合图2，层合板可以通过用常用的膜公式a
ij
、膜-弯曲耦合公式b
ij
以及弯曲刚度公式d
ij
来概括：
[0054][0055][0056][0057]
因此，是转换后的折减薄层弹性。和[t]4是一个4阶张量，q
ij
是减少的刚度。下标k在代表着在层合板中第k层。和q
ij
的关系如下：
[0058][0059][0060][0061][0062][0063][0064]
上式为转换后的折减薄层弹性计算公式。
[0065]aij
、b
ij
和d
ij
矩阵可以线性地表示为12层压参数，分别为膜公式矩阵、膜-弯曲耦合公式矩阵、弯曲刚度公式矩阵，以及5个材料刚度不变量ui，则有：
[0066]
(1)膜公式矩阵，表示为：
[0067][0068]
(2)膜-弯曲耦合公式矩阵，表示为：
[0069][0070]
(3)弯曲刚度公式矩阵，表示为：
[0071][0072]
上式中，为层合板铺层参数，分别为面内刚度、耦合刚度、面外刚度的铺层参数；
[0073]
ui(i＝1，2，3，4，5)为5个材料刚度不变量，通过以下公式计算：
[0074]
[0075]
步骤202、进行结果参数保存与传递，将复材层合板有效特性转换至宏观分析中，包括以下步骤：
[0076]
通过创建截面，层合板的abd矩阵参数以截面属性的形式被保存至材料参数库中，并同时传递至复材宏观分析中，传递时，将abd矩阵结果以下列方式排列得到材料的abd矩阵abd matrix：
[0077][0078]
由于abd矩阵具有对称性，因此有矩阵中a
21
＝a
12
、a
61
＝a
16
、a
62
＝a
26
、b
21
＝b
12
、b
61
＝b
16
、b
62
＝b
26
、d
21
＝d
12
、d
61
＝d、d
62
＝d
26
。材料的abd矩阵abd matrix包含材料的刚度和弯度特性，以便进行宏观分析计算。
[0079]
步骤3、在宏观分析中建立复合材料层合板模型，划分网格后添加复材层合板细观分析得到的材料参数，施加边界添加载荷后进行复合材料层合板宏观分析。
[0080]
步骤4、查看并分析宏观分析结果是否达到预期结果。
[0081]
步骤5、根据宏观分析结果，对层合板细观分析设置进行改进，并重复步骤1至步骤4，直至宏观分析结果达到预期结果。