专利名称：复合材料储液容器性能多尺度检测方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料技术领域的检测方法，具体是一种复合材料储液容器性 能多尺度检测方法。
背景技术：
复合材料储液容器有广泛的应用。其结构设计研究主要通过实验加以完成，在设 备的研制实验过程中，发现储液容器在工作中经常发生破损、断裂等情况。因此，迫 切需要一套针对复合材料储液容器的性能检测方法，能够指导储液容器复合材料的细 观结构设计，同时能够减少实验费用。
经对现有技术文献检索发现，意大利的MarcoAnghileri等人在((International Journal of Impact Engineering》(国际碰撞工程学报)(，2005， 31发表了 "Fluid-structure interaction of water filled tanks during the impact with the ground"(水箱落地过程的流固耦合作用)，该文通过流固耦合的数值模型预测 了直升机油箱跌落碰撞性能的分析，同时采用了试验方式，通过将油箱由起重机升至 高处直接抛落的方式，然后对跌落的油箱进行变形碰损情况的测量，证实了这种数值 模拟有效的检测了油箱的变形情况。然而这些储液容器性能检测方法还存在以下几点 不足1)针对复合材料储液容器的性能检测缺少；2)性能测试试验还存在很大的偶 然性与随机性；3)实验测试条件具有的局限性；4)不能对材料细观性能进行测试， 进而不能对复合材料储液容器的细观设计提供有效的帮助；5)此外，该类试验的费 用相当高。因此在该类复合材料储运装置的设计中较少应用。
发明内容
本发明针对现有实验技术中存在的不足，提供一种复合材料储液容器性能的多尺 度检测方法。本发明解决了复合材料储液容器的宏观与细观性能检测问题，大大縮短
了设备研制时间，减少了实验的随机性与资金的投入。 本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤 (1 )通过光学设备获取材料细观的几何形貌，材料细观几何形貌为材料性能的 预测提供基本信息。采用图像处理技术提取材料细观几何参数，为细观材料单胞的三 维重构提供几何信息。
(2) 将步骤(1)中提取的材料细观几何参数利用三维重构方法建立材料单胞， 加载周期边界条件预测材料的综合性能参数，通过复合材料宏观性能参数的预测为实 际储液容器的建立提供材料性能信息。
(3) 利用预测的材料综合性能参数及储液容器的设计尺寸建立复合材料储液 容器模型，通过建立的复合储液容器模型，采用罚函数的方式实现流固耦合，并采用 空投试验的数值再现进行储液容器碰撞冲击的安全性检测，分析复合材料储液容器的 破损情况，为材料细观破坏情况的检测提供环境信息。
(4) 针对储液容器的破损区域，通过单胞模型进行材料细观破坏行为检测，得 到复合材料的宏观性能参数，并对储液容器的整体性能及其强度进行检验，以及对储 液容器的薄弱位置细观破坏情况进行准确的预测。
所述的材料细观的几何参数，是指经线与纬线紧密接触时的纱线横断面与走向 尺寸，包括经纱线宽度、纬纱线宽度、相邻经纱线间空隙、相邻纬纱线间空隙、经纱 线巻曲、纬纱线巻曲及单层厚度与织物厚度。
所述的周期边界条件，是指为保证单胞模型位移的连续性与应力的连续性所采用 的一种约束方式。周期边界条件具体内容为
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，u为位移，j+为轴Xj正方向，j-为轴Xj负方向，常数^，《和^分别代
表三个轴向拉伸作用下的单胞伸长或压縮，ei2=^，《=^和《=《表示在三个剪切 力作用下单胞的剪切变形。
所述单胞模型是代表编织复合材料的最小结构单元。
所述的采用罚函数的方式实现流固耦合，是指为保证流固耦合中能量守恒所采用
的一种耦合方式，流体与结构体相互接触时， 一般将流体作为主面，结构体作为从面， 计算时先检查从节点是否穿透主表面，如果穿透，则在该从节点与主表面间、主节点 与从表面间引入一个较大的界面接触力，大小与穿透深度、接触刚度成正比相当于在 其中放置一系列法向弹簧，限制穿透。
所述的通过单胞模型进行材料细观破坏行为检测，是指对单胞模型内部采用接触 处理，其中经线与纬线、纱线与基体之间均采用接触方式，边界条件保证周期性，同 时施加实际工况，对材料的细观破坏行为进行检测。
与现有技术相比，本发明具有可操作强，方便、简单的特点，能够较准确的对复 合材料储液容器性能进行宏观与细观的测试，通过对单胞模型进行周期性方式的处 理，使得变形后在邻近单元的边界上没有间隙或者嵌入，同时使得对应边界上的应力 一致，保证了材料性能参数测试的准确性，利用罚函时方式实现的流固耦合具有保证 能量守恒的优点，使得复合储液容器的宏观性能检测结果更加可信，同时对材料的细 观破坏行为进行了进一步的测试，得到了材料细观结构破坏情况。本发明能对复合材 料的宏观性能及复合材料储液容器的整体强度进行有效的检测，同时也能够对储液容 器的破坏位置及细观破坏情况进行预测。
图1为本发明材料单元体截面示意图2为本发明单胞模型示意图3为本发明罚函数处理方式示意其中a为开始耦合，b为耦合后。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明方法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过程，但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。
本实施例具体实施步骤如下
具体例为对某型号空投水罐性能进行预测，空投水罐(或油罐，以下略)是一种
的专用运输装备。罐体采用纺织复合材料，罐内装满水或油。需要时，直升飞机将水 罐(不带降落伞)空投到指定位置。
1) 提取材料细观几何参数。通过机械设备切割纺织复合材料，获得编织纱线的 横断面及纱线走向形貌，如图l为材料单元体截面示意图，然后，采用光学设备获取 纱线横断面与走向形貌的数字图片，最后，利用图象分析测试技术对材料细观几何参 数进行提取。
2) 通过实际尺寸建立的材料单胞，加载周期边界条件预测材料的综合性能参数。 根据提取的材料细观几何参数，假定复合材料体中基体与编织物之间理想连接，
经、纬线的截面尺寸相同，同时还要考虑经线与纬线接触部分的相互作用，且相对面 上的节点一一对应，重构材料细观的单胞模型，如图2所示。
在通用的有限元程序中建立局部坐标系，保证定义的纱线材料主轴能与实际主轴 方向一致。根据公式(1)，对单胞模型采用周期性边界条件进行约束，保证位移与受 力的周期性。通过耦合的方式约束对应面上的相对节点，使得其周期性边界条件的满 足。
<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
其中，u为位移，j+为轴Xj正方向，j-为轴Xj负方向，常数^，《和^分别代
表三个轴向拉伸作用下的单胞伸长或压縮，ci2=^，《-^和《《表示在三个剪切 力作用下单胞的剪切变形。
分别采用六组线形无关的加载条件进行计算，确定六组线性无关的平均应力和 平均应变关系，由公式(2)可确定单胞的平均柔度矩阵，进而预测复合材料性能参 数。
<formula>formula see original document page 7</formula> (2)
式中，S为单胞的平均柔度矩阵；f和5分别为单胞的平均应变和平均应力。
3) 采用罚函数的方式实现流体与结构的耦合，进行储液容器碰撞冲击的安全性预测。
根据复合材料空投储液容器几何结构参数，结构部分采用Lagrangian描述，流 体部分采用的ALE描述，通过有限元程序建立复合材料储液容器模型。
流体与结构的耦合采用基于罚函数方式，罚函数方式如图3所示。在求解过程 中，首先判断流体节点与结构是否发生穿透，如果发生穿透，则在流体节点与结构节 点间定义矢量A该矢量的方向由节点间的相对位置确定，数值的大小由节点的距离 及相对刚度决定，同时施加于该矢量相反的力矢量实现流体与结构的耦合。
4)针对储液容器的破损区域，通过单胞模型进行材料细观破坏行为检测，可得 到复合材料的宏观性能参数。
针对空投储液容器的极限工作状态，将其最易破坏的区域取出，进行局部位置 的细观破坏行为分析，分析复合材料细观结构形式和参数对罐体断裂破坏的影响规 律。
以上所述步骤实现该类复合材料空投水罐性能的多尺度检测，这种方法为高效率 地开发、设计复合材料储液容器提供了有力的指导，实现了复合材料储液容器的细观 设计。
通过本实施例检测了复合材料宏观性能弹性模量为400MPa，泊松比为0.34，误 差率为0. 5%与0. 8%。同时预测复合材料储液容器宏观整体强度大于210MPa，复合材 料储液容器破坏位置位于复合材料储液容器嘴部与罐体连接处，多层复合材料细观破 坏为层间撕裂。与现有技术相比，本实施例解决了复合材料储液容器研制过程中性能 不易测定的问题，且该方法简单、易行，加深对复合材料细观结构对储液容器整体性 能影响的认识，大大縮短了设备研制时间，减少了实验的随机性与资金的投入，可更 加准确、高效率地开发复合材料储液容器提供了有力的理论依据与科学的指导。
权利要求
1、一种复合材料储液容器性能多尺度检测方法，其特征在于，包括以下步骤(1)通过光学设备获取材料细观的几何形貌，为材料性能的预测提供基本信息，采用图像处理技术提取材料细观几何参数，为细观材料单胞的三维重构提供几何信息；(2)将步骤(1)中提取的材料细观几何参数利用三维重构方法建立材料单胞，加载周期边界条件预测材料的综合性能参数，为实际储液容器的建立提供材料性能信息；(3)利用预测的材料综合性能参数及储液容器的设计尺寸建立复合材料储液容器模型，通过建立的复合储液容器模型，采用罚函数的方式实现流固耦合，并采用空投试验的数值再现进行储液容器碰撞冲击的安全性检测，分析复合材料储液容器的破损情况，为材料细观破坏情况的检测提供环境信息；(4)针对储液容器的破损区域，通过单胞模型进行材料细观破坏行为检测，得到复合材料的宏观性能参数。
2、 根据权利要求1所述的复合材料储液容器性能多尺度检测方法，其特征是， 所述的细观的几何参数，是指经线与纬线紧密接触时的纱线横断面与走向尺寸，包 括经纱线宽度、纬纱线宽度、相邻经纱线间空隙、相邻纬纱线间空隙、经纱线巻曲、 纬纱线巻曲及单层厚度与织物厚度。
3、 根据权利要求1所述的复合材料储液容器性能多尺度检测方法，其特征是， 所述的周期边界条件，是指为保证单胞模型位移的连续性与应力的连续性所采用的一 种约束方式，周期边界条件具体内容为-<formula>formula see original document page 2</formula>其中，u为位移，j+为轴Xj正方向，j-为轴Xj负方向，常数< 《和^分别代 表三个轴向拉伸作用下的单胞伸长或压縮，《=4， SzS和S二S表示在三个剪切 力作用下单胞的剪切变形。
4、 根据权利要求1所述的复合材料储液容器性能多尺度检测方法，其特征是， 所述的采用罚函数的方式实现流固耦合，是指为保证流固耦合中能量守恒所采用的一 种耦合方式，流体与结构体相互接触时，将流体作为主面，结构体作为从面，计算时 先检査从节点是否穿透主表面，如果穿透，则在该从节点与主表面间、主节点与从表 面间引入一个较大的界面接触力，大小与穿透深度、接触刚度成正比相当于在其中放 置一系列法向弹簧，限制穿透。
5、 根据权利要求1所述的复合材料储液容器性能多尺度检测方法，其特征是， 所述的通过单胞模型进行材料细观破坏行为检测，是指对单胞模型内部采用接触处 理，其中经线与纬线、纱线与基体之间均采用接触方式，边界条件保证周期性，同时 施加实际工况，对材料的细观破坏行为进行检测。
全文摘要
本发明涉及一种复合材料储液容性能器多尺度检测的方法，步骤为通过光学设备获取材料细观的几何形貌，采用图像处理技术提取材料细观几何参数；将材料细观几何参数利用三维重构方法建立材料单胞，加载周期边界条件预测材料的综合性能参数；利用材料综合性能参数及储液容器的设计尺寸建立复合材料储液容器模型，通过复合储液容器模型，采用罚函数的方式实现流固耦合，并用空投试验的数值再现进行储液容器碰撞冲击的安全性检测；针对储液容器的破损区域，通过单胞模型进行材料细观破坏行为检测，得到复合材料的宏观性能参数。本发明解决了复合材料储液容器性能检测问题，大大缩短了设备研制时间，减少了实验的随机性与资金的投入。
文档编号G01N3/00GK101178341SQ200710170758
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月22日 优先权日2007年11月22日
发明者政 李, 沈建奇, 金先龙, 陈向东 申请人:上海交通大学