一种复合材料及其结构的多尺度响应分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及复合材料力学响应分析技术领域，特别涉及一种复合材料及其结构的多尺度响应分析方法。
【背景技术】
[0002]复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。从结构角度来看，复合材料具有多尺度特征，且至少包含三个尺度，即对应于复合材料的宏观尺度、对应于组分材料的细观尺度以及对应于孔隙、微裂纹等特征的微观尺度。由复合材料制备的结构，则在上述尺度上，还要增加高于材料尺度的结构尺度。由于复合材料/结构内在的多尺度特征，其在力学载荷作用下的结构响应，如应力、应变等也具有多尺度特征，表现出较强的非均匀特征。
[0003]针对复合材料/结构的分析，应用最早最广泛的是均匀化方法，即采用复合材料的宏观均匀性质来表征复合材料，利用宏观唯象强度理论来预测其损伤与失效行为。相关的研究获得了长足发展，并取得了一定成果。但上述方法的主要问题是其忽略了复合材料的微细观特征，缺乏对复合材料损伤、失效过程本质的认识，需要对不同的材料发展相应的唯象理论，方法的应用范围与准确度受到限制。
[0004]随着复合材料应用日趋广泛，服役环境愈加复杂，其多尺度响应分析问题愈加突出。目前，国内外研究、应用较多的是基于平均场理论的多尺度分析方法，如MSC公司分析混杂复合材料多尺度响应的DigiMat软件，及Helius公司分析二维层合复合材料的MCT软件。所谓平均场理论，即假定复合材料细观尺度每一个特征材料内的应力应变场是均匀一致的，这也是该理论的缺陷。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供一种复合材料及其结构的多尺度响应分析方法，从而可以大大提高复合材料多尺度响应分析的准确度。
[0006]本发明的技术方案具体是这样实现的:
[0007]—种复合材料及其结构的多尺度响应分析方法，该方法包括:
[0008]步骤11，建立待分析的复合材料的细观分析模型；
[0009]步骤12，将所述细观分析模型转换为多尺度分析所需的模型；
[0010]步骤13，建立待分析的复合材料的宏观分析模型；
[0011]步骤14，对所述宏观分析模型进行分析，并调用待分析的复合材料的细观分析模型；
[0012]步骤15，宏观分析模型将第一传递信息传递给所述细观分析模型；所述细观分析模型根据所接收的第一传递信息进行对应的操作；
[0013]步骤16，执行所述细观分析模型的响应分析；
[0014]步骤17，细观分析模型将第二传递信息反馈给宏观分析模型；宏观分析模型根据所述第二传递信息给出新的应变向量与雅克比矩阵；
[0015]步骤18，重复步骤14至步骤17，直至完成整个模型中积分点的分析并达到收敛，执行下一增量步，直至完成整个分析流程。
[0016]较佳的，所述建立分析对象的细观分析模型包括:
[0017]根据具有周期性细观结构的待分析的复合材料的细观结构特征，选取用于表征复合材料的细观周期特性的代表性体积单元；所述代表性体积单元包括:基体相、增强相以及界面相；
[0018]根据所选取的代表性体积单元，建立相应的有限元分析模型，并采用周期性网格划分方法进行网格划分；
[0019]确定待分析的复合材料各相的本构，并根据该复合材料的增强相、基体相以及两者之间界面，定义该复合材料在外载荷作用下损伤萌生与演化行为；
[0020]设置基于结果的变量用于表征并传递材料的损伤状态。
[0021]较佳的，所述损伤萌生与演化行为包括如:
[0022]损伤萌生准则、损伤演化规律和损伤材料的应力应变关系。
[0023]较佳的，所述将所述细观分析模型转换为多尺度分析所需的模型包括:
[0024]根据周期性边界的基本原理，通过周期性加载的方法，在所述细观分析模型的对应面、对应线以及对应顶点处的各个对应节点之间，建立位移约束。
[0025]较佳的，所述建立待分析的复合材料的宏观分析模型包括:
[0026]根据待分析的复合材料的宏观结构，建立所述复合材料有限元分析模型，并划分网格，建立载荷与边界条件；
[0027]确定待分析的复合材料的本构行为；
[0028]设置基于结果的变量SDV用于表征并传递材料的损伤状态。
[0029]较佳的，所述对所述宏观分析模型进行分析，并调用待分析的复合材料的细观分析模型包括:
[0030]对所述宏观分析模型进行分析，在单元积分点调用相应的第一计算模块执行材料响应的计算；
[0031]将增量步开始时的应变、应力、材料初始损伤状态、该增量步的应变增量传递给所述第一计算模块；
[0032]所述第一计算模块根据当前的应力状态判断当前计算的积分点所处的状态；当所处的状态为无损伤状态或完全损伤状态时，采用当前宏观均匀化性能执行步骤17 ;当所处的状态为临界损伤状态或部分损伤状态时，执行步骤15。
[0033]较佳的，所述第一传递信息包括:
[0034]增量步开始时的应变、材料初始损伤状态和所述增量步的应变增量信息。
[0035]较佳的，所述细观分析模型根据所接收的第一传递信息进行对应的操作包括:
[0036]根据所述增量步开始时的应变和所述增量步的应变增量获取增量步结束时的应变，根据所获取的应变修改当前细观分析模型中的周期性边界，建立宏观应变载荷；
[0037]利用预设的第二计算模块，根据所述宏观分析模型给定的材料初始损伤状态，定义细观分析模型中增强相、基体及界面相的初始损伤状态。
[0038]较佳的，所述执行所述细观分析模型的响应分析包括:
[0039]以单胞X、Y、Z三个轴正向的顶点作为控制节点，对单胞逐次施加6个线性独立的应变载荷；
[0040]在原有的材料损伤状态上，根据由宏观分析模型获取的细观分析模型的载荷，进一步进行细观分析模型的渐进损伤分析；
[0041]通过后处理，获取新的细观分析模型的材料损伤状态和细观分析模型的均匀化应力状态。
[0042]较佳的，所述第二传递信息包括:
[0043]新的细观分析模型材料损伤状态、细观分析模型的均匀化应力状态和含损伤材料的宏观均匀弹性性能。
[0044]如上可见，在本发明的复合材料及其结构的多尺度响应分析方法中，由于针对具有周期性细观结构特征的复合材料在力学载荷作用下的结构应力应变响应分析问题，提供了一种能够在进行复合材料宏观响应分析的同时考虑细观结构特征多尺度分析的方法，从而可以大大提高复合材料多尺度响应分析的准确度，重点构建了宏细观多尺度结合分析框架，解决了多尺度分析中宏细观模型数据传递与交换的问题。本发明中所提供的方法，能够针对复合材料宏观结构，从细观结构出发考虑其损伤与演化行为，从本质上把握了复合材料的响应机制，且避免了针对整个复合材料宏观结构建立细观分析模型，以及宏细观模型之间的迭代，从而在保证准确度的同时提高了建模与计算效率。
【附图说明】
[0045]图1为本发明实施例中的复合材料及其结构的多尺度响应分析方法的流程示意图。
[0046]图2为本发明实施例中的开孔板单向拉伸模型示意图。
[0047]图3为本发明实施例中的单向增强复合材料细观分析模型。
[0048]图4为本发明实施例中通过计算得出的位移载荷曲线的示意图。
[0049]图5为本发明实施例中通过计算得到的失效过程示意图。
【具体实施方式】
[0050]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0051]本实施例提供了一种复合材料及其结构的多尺度响应分析方法。
[0052]图1为本发明实施例中的复合材料及其结构的多尺度响应分析方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的复合材料及其结构的多尺度响应分析方法可以包括如下所述的步骤:
[0053]步骤11，建立待分析的复合材料的细观分析模型。
[0054]在本发明的技术方案中，首先需要建立分析对象的细观分析模型。
[0055]在本发明的技术方案中，可以使用多种【具体实施方式】来建立分析对象的细观分析模型，以下将以其中的一种【具体实施方式】为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。