一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，具体包括如下过程：步骤1，建立复合材料宏观多场耦合计算模型；步骤2，赋予宏观多场耦合计算模型初始值和计算边界条件；步骤3，对步骤1中建立的模型进行网格划分，并对模型进行有限元求解；步骤4，根据步骤3所得结果计算细观固化残余应力模型中树脂材料本构模型的热力学参数；步骤5，采用代表性体积单元建立包含单根纤维和树脂基体的RVE模型，将步骤4所得的热力学参数作为输入参数，进行细观固化残余应力模型的有限元计算，完成固化残余应力的多尺度模拟。本发明专利技术通过将多场耦合理论和多尺度模拟相结合的方法，使得复合材料细观残余应力的预测更加准确。

A multi-scale numerical simulation method for curing residual stresses of composite materials

The invention discloses a multi-scale numerical simulation method for curing residual stress of composite materials, which includes the following steps: step 1, establishing a macro-multi-field coupling calculation model of composite materials; step 2, giving the initial value and calculation boundary conditions of the macro-multi-field coupling calculation model; step 3, netting the model established in step 1 Lattice partition and finite element method were used to solve the model. Step 4, the thermodynamic parameters of the constitutive model of resin material were calculated according to the results obtained in step 3. Step 5, the RVE model containing single fiber and resin matrix was established by using representative volume element, and the thermodynamic parameters obtained in step 4 were taken as the thermodynamic parameters. Input parameters, the finite element calculation of the Micro-Solidification residual stress model, completed the multi-scale simulation of solidification residual stress. By combining the multi-field coupling theory with the multi-scale simulation method, the invention makes the prediction of the micro residual stress of the composite material more accurate.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法
本专利技术属于复合材料设计制造
，涉及一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法。
技术介绍
复合材料因具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳以及可设计性强等优点，已在航空、航天、船舶、兵器、建筑以及医疗等领域得到广泛应用。目前，国内企业主要采用热压罐成型工艺来制备复合材料构件。在热压罐成型过程中，复合材料构件要经历高温、高压等过程，由于材料自身的各向异性、树脂基体的化学收缩反应以及模具作用等因素，复合材料内部会产生固化残余应力，严重影响构件的后续使用及装配连接。固化残余应力可以分为宏观残余应力和细观残余应力两类。宏观残余应力是形成于复合材料的铺层与铺层之间的残余应力，会导致复合材料脱模后产生回弹变形；细观残余应力是指形成在树脂、纤维以及树脂和纤维界面间的残余应力，易导致基体或界面相产生微裂纹，进而引发初始损伤，严重影响复合材料力学性能。对于复合材料而言，其是由两种或两种以上的具有不同物理、化学性质的材料，通过细观、介观以及宏观等不同结构尺度与层次组合，经过高温、高压的方式固化而成。这种多尺度(细观-宏观)、多相(增强相、基体相及层间相)的材料特点以及多场耦合(温度、固化度、粘度、纤维体积分数及应力等参量)的成型特点，使得细观固化残余应力的求解变得十分复杂。现有对细观固化残余应力的研究多是采用采用单根纤维进行解析建模计算，或是选取数根纤维建立RVE模型进行有限元仿真计算，忽略了复合材料构件整体尺寸以及树脂流动的影响。因此，现有的数值模拟方法所计算得到的细观残余应力与实际结果存在较大误差，结果可靠性不高。SafarabadiM在2016论文《Evaluationofcuringresidualstressesinthree-phasethincompositelaminatesconsideringmicro-scaleeffects》中利用经典层合板理论和能量法建立了考虑纤维-基体界面相的细观残余应力计算模型，模型虽然进行了纤维体积分数对固化残余应力的影响分析，但对于如何计算纤维体积分数却并没有给出，并且模型中并没有考虑层合板整体结构尺寸的影响。DongnaLi在2017年的论文《Acomparisonofcuringprocess-inducedresidualstressesandcureshrinkageinmicro-scalecompositestructureswithdifferentconstitutivelaws》中，针对复合材料本构模型对细观固化残余应力的影响进行了研究，但模型中并没有考虑树脂流动以及层合板厚度尺寸的影响。细观固化残余应力极易导致复合材料构件内部出现微裂纹等问题，严重影响其成型质量及后续使用性能，如何准确预测细观固化残余应力的发展规律至关重要。因此，在利用数值模拟方法计算细观固化残余应力时，需要考虑层合板宏观结构尺寸及树脂流动的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，该方法基于宏观与细观相结合的思想，通过将多场耦合理论和多尺度模拟相结合的方法，使得复合材料细观残余应力的预测更加准确。本专利技术所采用的技术方案是，一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，具体包括如下过程：步骤1，建立复合材料宏观多场耦合计算模型，所述宏观多场耦合计算模型包括热化学计算模型、树脂黏度计算模型和树脂流动计算模型；步骤2，赋予宏观多场耦合计算模型初始值并计算模型的边界条件；步骤3，采用有限元软件中的实体单元对步骤1中建立的模型进行网格划分，并对模型进行有限元求解；步骤4，根据步骤3所得结果计算细观固化残余应力树脂材料本构模型的热力学参数，该热力学参数包括弹性模量、剪切模量和泊松比；步骤5，采用代表性体积单元建立包含单根纤维和树脂基体的RVE模型，将步骤4所得的热力学参数作为输入参数，进行细观固化残余应力模型的有限元计算，完成固化残余应力的多尺度模拟。本专利技术的特点还在于，步骤3的具体过程如下：通过步骤1所述的热化学计算模型计算复合材料内部温度T和固化度a；通过得到的温度T和固化度a，利用树脂黏度计算模型得到复合材料内部树脂黏度η；利用得到的温度T、固化度a和树脂黏度η，通过树脂流动模型更新复合材料内部纤维体积分数Vf，由计算得到的温度T、固化度a、纤维体积分数Vf进行模型输入参数的更新，并作为下一时刻模型的初始值，整个循环过程一直作用到复合材料固化完成，固化完成后，并提取相应的温度T、固化度a和纤维体积分数Vf。步骤4的具体过程如下：读取步骤3中计算得到的温度T、固化度a和纤维体积分数Vf，以步骤3计算得到的温度T、固化度a作为细观固化残余应力树脂材料本构模型的输入参数，计算得到树脂固化过程中的弹性模量Em、剪切模量Gm和泊松比vm，如式(7)、(8)和(9)所示，从而实现复合材料宏观多场耦合模型到细观残余应力模型的信息传递；其中，和分别为树脂在对应温度为TC1、TC2时的弹性模量；为树脂完全固化后的泊松比，T∞为当前树脂玻璃化转化温度Tg与树脂当前温度T的差值：T∞＝Tg-T(10)；Tg＝164.6a2+51a+2.67(11)。本专利技术的有益效果是,本专利技术提供的数值模拟方法考虑了复合材料宏观结构尺寸与树脂流动对复合材料细观固化残余应力的影响，采用宏观多场耦合计算模型与细观残余应力模型之间的数据交互，考虑了温度、固化度与纤维体积分数之间的强耦合作用，有效地解决了
技术介绍
中所存在的残余应力计算偏差问题，提高了残余应力模拟结果的可靠性，使残余应力的模拟更符合实际，为后续的强度分析奠定基础。附图说明图1是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中采用的构件结构图；图2是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中采用的有限元模型；图3是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中宏观多场耦合模型的温度计算结果示意图；图4是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中宏观多场耦合模型的固化度计算结果示意图；图5是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中温度变化曲线；图6是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中固化度变化曲线；图7是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中纤维体积分数变化曲线；图8是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中纤维和树脂的RVE模型；图9是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中纤维和树脂的RVE模型固化残余应力计算结果示意图；图10是本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法的实施例中所选构件的A点分别通过本专利技术实施例的数值模拟方法和对比实例的残余应力曲线对比图。图中，1.纤维，2.树脂。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，具体包括如下过程：步骤1，利用Comsol有限元计算软件建立复合材料宏观多场耦合计算模型；宏观多场耦合计算模型包括热化学计算模型、树脂黏度计算模型和树脂流动计算模型；热化学计算模型如下公式(1)所示：其中，λx、λy、λz分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，其特征在于：具体包括如下过程：步骤1，建立复合材料宏观多场耦合计算模型，所述宏观多场耦合计算模型包括热化学计算模型、树脂黏度计算模型和树脂流动计算模型；步骤2，赋予宏观多场耦合计算模型初始值和模型的边界条件；步骤3，采用有限元软件中的实体单元对步骤1中建立的模型进行网格划分，并对模型进行有限元求解；步骤4，根据步骤3所得结果计算细观固化残余应力模型中树脂材料本构模型中的热力学参数，该热力学参数包括弹性模量、剪切模量和泊松比；步骤5，采用代表性体积单元建立包含单根纤维和树脂基体的RVE模型，将步骤4所得的热力学参数作为输入参数，进行细观固化残余应力模型的有限元计算，完成固化残余应力的多尺度模拟。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，其特征在于：具体包括如下过程：步骤1，建立复合材料宏观多场耦合计算模型，所述宏观多场耦合计算模型包括热化学计算模型、树脂黏度计算模型和树脂流动计算模型；步骤2，赋予宏观多场耦合计算模型初始值和模型的边界条件；步骤3，采用有限元软件中的实体单元对步骤1中建立的模型进行网格划分，并对模型进行有限元求解；步骤4，根据步骤3所得结果计算细观固化残余应力模型中树脂材料本构模型中的热力学参数，该热力学参数包括弹性模量、剪切模量和泊松比；步骤5，采用代表性体积单元建立包含单根纤维和树脂基体的RVE模型，将步骤4所得的热力学参数作为输入参数，进行细观固化残余应力模型的有限元计算，完成固化残余应力的多尺度模拟。2.根据权利要求1所述的一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：通过步骤1所述的热化学计算模型计算复合材料内部温度T和固化度a；通过得到的温度T和固化度a，利用树脂黏度计算模型得到复合材料内部树脂黏度η；利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：元振毅，杨癸庚，汤奥斐，李淑娟，李言，思悦，肖继明，杨振朝，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61