基于空间群P*对称性的三维编织复合材料性能检测方法技术

本发明专利技术公开了基于空间群

【技术实现步骤摘要】
基于空间群*对称性的三维编织复合材料性能检测方法
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及基于空间群对称性的三维编织复合材料性能检测方法。
技术介绍
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。然而,现有技术中仍然缺乏针对基于空间群对称性的三维编织复合材料的性能检测方法。
技术实现思路
本专利技术提供了基于空间群对称性的三维编织复合材料性能检测方法，能够检测基于空间群对称性的三维编织复合材料是否失效。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案，基于空间群对称性的三维编织复合材料性能检测方法，包括：S1、在满足周期性原则和完整性原则的前提下，根据空间群的结构尺寸划分出三维编织材料的最小代表性体积单胞，并建立单胞几何模型；S2、复制最小代表性体积单胞，并通过阵列的方式组合，得到标准部件，标准部件和基体复合得到受力部件；S3、采集待测三维编织复合材料的材料参数；S4、将材料参数赋予给受力部件；S5、根据轴向压缩实验情况设置受力部件的边界条件、载荷和接触条件，并对部件划分网格；S6、对受力部件进行准静态及动态轴向压缩应力有限元计算，得到应力-应变曲线、应力分布云图、应变分布云图；S7、将所述正应力、剪切应力带入失效准则，得出三维编织材料的压缩强度/压缩模量以及失效情况。当材料的塑性应变等于或大于指定的等效塑性应变时，认为材料发生破坏,得到三维编织复合材料的最大压缩强度。进一步的，根据空间群的结构确定三维编织材料的单胞结构中六棱柱的结构，其尺寸为六边形底面边长4mm,高为12mm，圆柱纤维的截面半径为1.3mm。进一步的，最小代表性体积单胞的形状为六棱柱管状，由一根六棱柱体纤维和六根不同角度的圆柱体纤维构成。进一步的，在S3中，材料参数包括：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、真实应力和塑性应变参数。进一步的，失效准则包括Hashin准则和Von-Mises应力准则。本专利技术的有益效果为：利用有限元模拟方法模仿和适应复杂的基于空间群对称性的三维编织复合材料，建立精准的受力部件空间结构和尺寸大小，再对受力部件赋予不同的材料性能参数，以及实际加载条件下的边界条件、接触和载荷，利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，测量结果精确；进而通过有限元软件分析求解得到所述三维编织复合材料的力学性能，与实验手段相比，有限元模拟方法可深入探究所述三维编织复合材料在高速动态压缩受力过程中的力学响应及失效机理，避免了繁琐的生产、实验步骤，节约了时间和经济成本，结果的可信度也很高，符合工程应用中数字模拟化技术被广泛应用的要求。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为空间群结构中六棱柱和圆柱纤维的排布图；图2为基于空间群对称性的编织复合材料单胞的结构图；图3为模拟压缩试验的纤维束几何模型；图4为模拟压缩试验的纤维与基体复合的几何模型俯视图；图5为模拟压缩试验的纤维与基体复合的几何模型。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术实施例提供了基于空间群对称性的三维编织复合材料性能检测方法，本实施例以碳纤维和环氧树脂为例，对本专利技术的技术方案进行更详细的描述。基于空间群对称性的三维编织复合材料性能检测方法，包括：S1、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，建立一个应变率相关的塑性随动模型。碳纤维、基体之间相互挤压，中间主碳纤维截面为六边形形状，边上围绕主碳纤维的碳纤维截面为圆形形状。碳纤维截面沿长度方向保持不变并且编织过程中无损伤。碳纤维和基体根据图1中空间群的结构确定单根碳纤维的编织角、单元长度和排列方式，一个单胞由一根六棱柱体的纤维和六根不同角度的圆柱体纤维构成。在Abaqus中建立基于空间群对称性的编织复合材料的最小代表性单胞，图2是单胞的结构图。将若干个单胞和一个内部掏出相应形状的六棱柱装配起来，如图3、图4、图5所示。S3、采集待测三维编织复合材料的材料参数，材料参数包括：密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变参数。S4、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，包括密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量、硬化参数、失效应变参数。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。S5、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。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压缩位移载荷，根据具体情况设定几组不同的压缩速率以及位移长度，加载一定时间。S6、对于碳纤维，采用Hashin准则判断纤维束的损伤形式。L方向的纤维束压缩损伤准则为：TZ方向上的纤维束压缩和剪切损伤准则为：其中，分别表示纤维束L,T,Z方向上的压缩强度，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。在本模型中，L,T,Z方向分别代表模型的X,Y,Z方向，LT,TZ,ZL方向分别代表XY,YZ,ZX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，σ1、σ2、σ3表示第一、第二、第三主应力。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。本专利技术的有益效果为：利用有限元模拟方法模仿和适应复杂的基于空间群对称性的三维编织复合材料，建立精准的受力部件空间结构和尺寸大小，再对受力部件赋予不同的材料性能参数，以及实际加载条件下的边界条件、接触和载荷，利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，测量结果精确；进而通过有限元软件分析求解得到所述三维编织复合材料的力学性能，与实验手段相比，有限元模拟方法可深入探究所述三维编织复合材料在高速动态压缩受力过程中的力学响应及失效机理，避免了繁琐的生产、实验步骤，节约了时间和经济成本，结果的可信度也很高，符合工程应用中数字模拟化技术被广泛应用的要求。以上，仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于空间群

【技术特征摘要】
1.基于空间群对称性的三维编织复合材料性能检测方法，其特征在于，包括：S1、在满足周期性原则和完整性原则的前提下，根据空间群的结构尺寸，划分出三维编织材料的最小代表性体积单胞，并建立一个单胞几何模型；S2、复制所述最小代表性体积单胞，并通过阵列的方式组合，得到标准部件，所述标准部件和基体复合得到受力部件；S3、采集待测三维编织复合材料的材料参数；S4、将所述材料参数赋予给所述受力部件；S5、根据轴向压缩实验情况设置所述受力部件的边界条件、载荷和接触条件，并划分部件网格；S6、对所述受力部件进行准静态及动态轴向压缩应力有限元计算，得到应力-应变曲线、应力分布云图、应变分布云图,从而获得正应力和剪切应力；S7、将所述正应力、所述剪切应力带入失效准则，得出三维编织...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷姿，张平则，魏东博，马振宇，丁丰，吕亚忠，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32