一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法与流程

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种预测基于空间群P4对称性的三维编织复合材料失效的模拟和分析方法，包含预测这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。

背景技术：

三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板间性能差、冲击韧性低和易分层的缺点，具有良好的拉伸性能，抗冲击性能和剪切性能等优点，广泛应用于航空、航天等高科技领域。基于空间群P4对称性的三维编织复合材料是根据晶体空间点阵和空间对称群构想出的新型编织复合材料，由于这种结构的材料还未批量化生产，所以对它性能的预测就显得十分重要。有限元模拟为这种材料的性能和结构失效预测提供了有效的途径，同时也为这种结构的设计改进提供了理论基础。

有限元分析是借助数学近似方法对真实物理系统进行模拟，可以利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为十分有效的工程分析手段。与实验手段相比，有限元模拟方法可深入探究三维编织复合材料在高应变率加载过程中的力学响应及失效机理。利用有限元模拟软件可以建立精准的部件空间结构和尺寸大小，对不同的部件赋予不同的材料性能参数，并且能够快速准确地施加复合材料在实际加载条件下的边界条件、接触和载荷。通过有限元软件分析求解来得到这种材料的力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法，为基于空间群P4对称性的编织复合材料提供一种可靠有效的拉伸性能和抗冲击性能的预测手段，以用于预测这种材料的性能和结构失效情况。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法，包括以下步骤：

步骤一：根据空间群P4对称性的细观结构设计三维编织材料的结构和尺寸，在有限元模拟软件Abaqus中建立一个最小代表性体积单元，通过平移对称的方式得到一个标准的部件；

步骤二：根据所需预测的三维编织复合材料的材料参数给部件赋予材料属性；

步骤三：设定网格类型、边界条件、载荷和接触条件；

步骤四：根据有限元模拟软件Abaqus中的计算结果和相应的失效准则，预测出材料的失效情况，得到这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能。

步骤二中，根据不同材料给部件赋予不同材料属性，材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变。

步骤三中，通过C3D8R实体单元来对纤维束划分网格，采用C3D4实体单元对基体划分网格。

步骤三中，将纤维束和基体的接触方式定义为面面接触，设定基体为主面，纤维束为从面。

步骤四中，对于纤维束，采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式，对于基体，采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程。

有益效果：本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与原有的三维编织复合材料的有限元模拟不同，本发明针对基于空间群P4对称性的三维编织复合材料进行有限元模拟分析，这是一种根据晶体学空间群P4结构进行设计的新型三维编织复合材料，这种结构的纤维体积分数较高，对提高三维编织复合材料的强度有帮助，但是市场上还没有生产这种材料，所以，在其大规模生产前，我们可以通过模拟手段优先分析预测这种复合材料的拉伸性能和抗冲击性能，并根据其结构失效的结果来调整确定最佳的编织方案。

(2)本发明通过有限元模拟来预测这种基于空间群P4对称性的三维编织复合材料的拉伸性能和抗冲击性能，避免了繁琐的生产、实验步骤，节约了时间和经济成本，并且结果的可信度也很高，符合现在工程应用中数字模拟化技术开始被广泛应用的发展前景。

附图说明

图1为空间群P4结构中单根纤维束的摆放方式；

图2为基于空间群P4对称性的编织复合材料单元的俯视图；

图3为基于空间群P4对称性的编织复合材料单元的侧视图；

图4为模拟拉伸试验的纤维编织几何模型；

图5为模拟拉伸试验的纤维与基体复合的几何模型；

图6为模拟冲击试验的纤维编织几何模型；

图7为模拟冲击试验的纤维与基体复合的几何模型。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，以碳纤维和环氧树脂为例，对本发明的技术方案进行更详细的描述。

一、有限元软件分析模拟基于空间群P4对称性的编织复合材料的拉伸行为，具体步骤如下：

1.假设碳纤维和环氧树脂完全浸润，两者之间无界面滑移，根据弹塑性本构关系，建立一个率相关的塑性随动模型。

2.由于纤维、基体之间相互挤压，根据实际情况，假设碳纤维束截面为菱形形状，碳纤维束截面沿长度方向保持不变且编织过程中无损伤。图1中线Ⅰ表示单元中一根碳纤维的中心轴线，根据图1中空间群P4的结构尺寸确定单束碳纤维的编织角、最小代表性单元长度和截面尺寸，一个最小代表性单元由四根碳纤维组成。

3.在Abaqus中建立基于空间群P4对称性的编织复合材料的最小代表性单胞，图2是单元的俯视图，图3是单元的侧视图。将128个最小代表性单元和一个内部掏出相应形状的长方体装配起来，图4为三维编织复合材料试件模型。给纤维束赋予碳纤维的属性，给长方体基体赋予环氧树脂的属性，例如密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变等参数。

4.将碳纤维和环氧树脂的接触方式定义为面面接触，设定环氧树脂为主面，碳纤维束为从面。

5.采用计算精度最高的C3D8R实体单元来对纤维束划分网格，采用C3D4实体单元对基体划分网格。

6.通过局部坐标将Z方向定义为纤维方向，把长方体的底面固定，在长方体的上端施加一个方向向上的轴向拉伸位移载荷，根据具体情况设定几组不同的拉伸速率以及位移长度，加载一定时间，加载时间根据所需要的应变率来确定。如：固定X、Y方向，Z方向施加正负位移，位移值为10mm，加载时间10min，速率1mm/min。

7.由于两种材料的力学性能差异较大，对于碳纤维，采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式，L方向的纤维束拉伸损伤准则：

TZ方向上的纤维束拉伸和剪切损伤准则：

其中分别表示纤维束L，T，Z方向上的拉伸强度，分别表示纤维束在LT，TZ，ZL方向上的剪切强度，α为各个模式的贡献因子。其中，L，T，Z方向代表有限元模型中的X，Y，Z方向。

对于环氧树脂基体，采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程：

其中σm为基体材料的强度。

8.根据计算结果中的应力应变分布、位移情况来判断材料的失效情况。

二、有限元软件分析模拟基于空间群P4对称性的编织复合材料的抗冲击行为，具体步骤如下：

1.假设碳纤维和环氧树脂完全浸润，两者之间无界面滑移，根据弹塑性本构关系，建立一个率相关的塑性随动模型。

2.由于纤维、基体之间相互挤压，根据实际情况，假设碳纤维束截面为菱形形状，碳纤维束截面沿长度方向保持不变且编织过程中无损伤。图1中线Ⅰ表示单元中一根碳纤维的中心轴线，根据图1中空间群P4的结构尺寸确定单束碳纤维的编织角、单元长度和截面尺寸，一个单元由四根碳纤维组成。

3.在Abaqus中建立基于空间群P4对称性的编织复合材料的最小单元，图2是单元的俯视图，图3是单元的侧视图。将50个单胞和一个内部掏出相应形状的长方体装配起来，图7为一个两层的三维编织复合层板试件模型。给纤维束赋予碳纤维的属性，给长方体基体赋予环氧树脂的属性，例如密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变等参数。

4.将碳纤维和环氧树脂的接触方式定义为面面接触，设定环氧树脂为主面，碳纤维束为从面。

5.采用计算精度最高的C3D8R实体单元来对纤维束划分网格，采用C3D4实体单元对基体划分网格。

6.通过局部坐标将Y方向和Z方向定义为纤维方向，把长方体的YOZ面固定，在这个固定面的对立面施加一个X方向负方向上的集中力载荷载荷，根据具体情况设定几组不同的载荷大小，加载一定时间，加载时间根据所需要的应变率来确定。如：固定X、Z方向，X方向施加正负位移，位移值为10mm，加载时间10min，速率1mm/min。

7.由于两种材料的力学性能差异较大，对于碳纤维，采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式，L方向的纤维束拉伸损伤准则：

TZ方向上的纤维束拉伸和剪切损伤准则：

其中分别表示纤维束L,T,Z方向上的拉伸强度，分别表示纤维束在LT,TZ,ZL方向上的剪切强度，σL，σT，σZ，σLT,σZL,σTZ表示纤维束局部正应力和剪切应力。α为各个模式的贡献因子。

对于环氧树脂基体，采用Von-Mises应力准则来判断基体损伤过程：

其中σm为基体材料的强度，τ12，τ23，τ31表示集体材料的剪切应力。

根据计算结果中的应力应变分布、位移情况来判断材料的失效情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。