一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法与流程
本发明涉及一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法。
背景技术：
纤维增强复合材料结构具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、破坏时不易产生碎片等显著优点而广泛的应用于航空航天、汽车舰艇、建筑工程、高端运动器材等领域，其结构性能好、质量轻，在减轻自重的同时还能改善抗震性能，今后将更广泛的取代钢材等传统金属工业材料，具有广阔的发展前景。
纤维增强型复合材料结构的加工工艺比较复杂，在加工过程中，由于环境温度、湿度、纤维预应力、配方、固化温度等因素的变化，造成纤维增强复合材料制品的宏观弹性模量存在一定的分散性，导致其力学性能也存在一定的分散性。力学性能的分散性是影响产品质量的最主要的因素，并且无法在设计阶段就充分预测结构的力学性能分散性，往往需要获得制成品后再通过试验确定其力学性能的分散性情况。
对于天然纤维如植物纤维等，不同纤维以及同一纤维的不同部位，其弹性模量和强度也是非均匀的，因此天然纤维或植物纤维复合材料制品的力学性能也存在一定的分散性。对于天然纤维或植物纤维增强的复合材料结构，在产品制造之前的设计阶段，有效预测其原材料的分散性对最终制成品的力学性能的影响，从而对原材料的质量分布提出量化的控制指标，是现有技术中亟需解决的一个问题。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种纤维增强复合材料结构力学性能预测及控制方法，在设计阶段即可预测宏观弹性模量不均匀性对复合材料制成品力学性能的影响，在原材料质量分布和制成品力学性能之间建立量化关系，是实现纤维增强复合材料结构力学性能控制的关键手段。
一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法，包括如下步骤：
1)构建纤维增强复合材料结构模型，针对纤维弹性模量不均匀性构建纤维弹性模量正态分布模型；将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型共同作为输入条件，用于预测复合材料结构的力学响应；
2)将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型相结合，建立有限元分析模型进行有限元计算分析，计算预测复合材料结构在给定载荷下的力学响应；
3)输出结果，如果不合格，进行原材料筛选工艺参数优化，更新纤维弹性模量正态分布模型，进入步骤2)进行有限元计算分析；如果合格，则输出形成质量控制指标。
步骤1)所述纤维增强复合材料结构模型指由天然纤维或植物纤维增强的复合材料结构，以及由碳纤维、玻璃纤维增强的复合材料结构。
步骤1)所述纤维弹性模量正态分布模型如式(1)所示：
式中，ef是纤维拉伸弹性模量,ef0是纤维弹性模量的平均值，
式中，v0是复合材料结构体积,ef(x,y,z)是纤维拉伸弹性模量在结构中的分布。
步骤2)所述有限元分析模型包含了纤维弹性模量正态分布模型，其实现方法在于将复合材料柔度矩阵中对应的若干元素作为符合正态分布的变量考虑，对于单层正交各向异性复合材料，其柔度矩阵如式(3)所示：
式中
步骤3)原材料筛选工艺参数优化，即通过材料抽样检测和筛选或其他工艺参数优化方法，降低原材料纤维弹性模量值的方差，使其满足步骤3)的质量控制指标，从而保证最终复合材料产品的力学性能。
本发明的有益效果是，可以有效预测纤维弹性模量的分散性对最终制成品的力学性能的影响，从而对纤维原材料的质量分布提出量化的控制指标。
附图说明
图1是本发明一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法流程图；
图2是纤维弹性模量的正态分布；
图3是复合材料正交各向异性板模型；
图4是扭曲的复合材料板的挠度等值线；
图5是更新的纤维弹性模量正态分布；
图6是较平滑的复合材料板的挠度等值线。
具体实施方式
一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法，包括如下步骤：
1)构建纤维增强复合材料结构模型，针对纤维弹性模量不均匀性构建纤维弹性模量正态分布模型；将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型共同作为输入条件，用于预测复合材料结构的力学响应；
2)将纤维增强复合材料结构模型和纤维弹性模量正态分布模型相结合，建立有限元分析模型进行有限元计算分析，计算预测复合材料结构在给定载荷下的力学响应；
3)输出结果，如果不合格，进行原材料筛选工艺参数优化，更新纤维弹性模量正态分布模型，进入步骤2)进行有限元计算分析；如果合格，则输出形成质量控制指标。
步骤1)所述纤维增强复合材料结构模型指由天然纤维或植物纤维增强的复合材料结构，以及由碳纤维、玻璃纤维等化学纤维增强的复合材料结构，但由于受环境、工艺等不稳定因素影响，其纤维弹性模量存在不均匀的情况。
步骤1)所述纤维弹性模量正态分布模型如式(1)所示：
式中，ef是纤维拉伸弹性模量,ef0是纤维弹性模量的平均值，
式中，v0是复合材料结构体积,ef(x,y,z)是纤维拉伸弹性模量在结构中的分布。
步骤2)所述有限元分析模型包含了纤维弹性模量正态分布模型，是一种新的混合模型。其实现方法在于将复合材料柔度矩阵中对应的若干元素作为符合正态分布的变量考虑，对于单层正交各向异性复合材料，其柔度矩阵如式(3)所示：
式中
受纤维弹性模量不均匀性的影响，该单层正交各向异性复合材料有限元模型中，每一个单元的柔度矩阵中与纤维拉伸弹性模量有关的元素s11、s12、s13、s21、s31不再是常数，而是服从式(1)所示的正态分布和式(2)所示约束条件的变量。对于叠层的各向异性复合材料结构，可根据其铺层方式，由上述单层正交各向异性复合材料柔度矩阵叠加计算得到。
步骤3)原材料筛选工艺参数优化，即通过材料抽样检测和筛选或其他工艺参数优化方法，降低原材料纤维弹性模量值的方差，使其满足步骤3)的质量控制指标，从而保证最终复合材料产品的力学性能。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
本发明一种纤维增强复合材料结构力学性能预测和控制方法，其步骤如图1所示。
1)在常规的复合材料结构力学性能计算分析中，均不考虑纤维弹性模量不均匀而引起的复合材料结构力学性能不均匀问题。而本发明考虑了纤维弹性模量不均匀性，并采用一种正态分布模型(含约束条件)描述这种不均匀性，如图2所示。本发明将这种弹性模量的正态分布模型和结构分析模型共同作为输入条件，预测复合材料结构的力学响应。
2)将纤维弹性模量正态分布模型和复合材料结构模型相结合，建立有限元分析模型，利用有限元方法计算预测复合材料结构在给定载荷下的力学响应。该步骤中，将纤维弹性模量正态分布模型和复合材料结构模型相结合并生成有限元计算模型是本发明的创造性所在，其有别于常规有限元方法的特点在于，常规有限元方法中材料的柔度矩阵各元素是常数，而本发明所提出的方法中，材料柔度矩阵中的若干元素是服从正态分布及其约束条件的变量。
为了便于描述本发明的有益效果，图3显示了一个简单的复合材料正交各向异性板结构作为案例。
式(3)是该复合材料正交各向异性板的柔度矩阵，受纤维弹性模量不均匀性的影响，该正交各向异性板的柔度矩阵中的元素s11、s12、s13、s21、s31不再是常数，而是服从正态分布及其约束条件的变量。
3)基于上述步骤1)和2)可输出纤维弹性模量不均匀时复合材料结构的力学响应结果。图4是当纤维弹性模量不均匀性较大时，输出结果表明复合材料板的挠度等值线非常扭曲，其力学性能不佳。
4)对应于图1流程图中若判定结构力学性能不合格，则需采取原材料筛选、工艺参数优化等措施，改善纤维弹性模量的不均匀性。或者先不采取实际措施，而仅仅在数值上更新纤维弹性模量正态分布形式。
5)经过步骤4处理后，获得更新的纤维弹性模量正态分布形式，如图5所示，图5所示的纤维弹性模量平均值与图2相同，但方差不同。再次输入有限元计算分析模型。
6)采用更新的纤维弹性模量正态分布模型，仍以图3复合材料正交各向异性板模型为例，输出结果如图6所示。
7)如图6所示复合材料板的挠度等值线较为平滑，判定板结构的力学性能合格，则说明图5对应的纤维弹性模量正态分布满足质量要求，可将图5正态分布的参数作为质量控制指标保留。并在实际中采取原材料筛选、工艺参数优化等措施，使纤维原材料弹性模量分布满足图5的参数要求。
8)在产品制造前的设计阶段，通过上述步骤1-7，即可通过对纤维弹性模量分布的抽样检测，预测产品力学性能是否合乎要求。反之，也可通过产品力学性能的预测，对纤维原材料的弹性模量分布提出控制指标，以保证产品力学性能合格。
本发明所提出的力学性能预测方法适用于各种天然植物纤维制成的复合材料结构，也适用于由于环境、制造过程和工艺参数不稳定引起的化学纤维增强复合材料弹性模量具有分散性的复合材料结构。
本发明所提出的力学性能预测方法不仅适用于纤维增强复合材料板结构，也适用于纤维增强复合材料压力容器、储气瓶、叶片、机翼等其他复杂结构。
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