一种预测Z-pin三维增强复合材料强度的方法技术

本发明专利技术公开了一种预测Z

【技术实现步骤摘要】
一种预测Z
‑
pin三维增强复合材料强度的方法


[0001]本专利技术属于复合材料力学性能分析方法领域，具体涉及一种预测Z
‑
pin三维增强复合材料强度的方法。

技术介绍

[0002]随着纤维增强复合材料在各个领域的广泛应用，对其性能提出了更高的要求。传统复合材料层合板在其垂直方向的拉压性能以及层间剪切性能较弱，抗冲击性能较差，严重限制了复合材料的应用。目前，提升复合材料层合板层间性能的方式主要有三维编织、缝合增韧和Z
‑
pin增强等。相较于前两种办法，Z
‑
pin增强技术工艺简便，成本也更加低廉，加工效率较高，现已广泛用于各行业。
[0003]Z
‑
pin的植入带来了复合材料层合板局部结构的改变：增加了z向的pin针，同时引起面内纤维的屈曲，在pin针与周围的面内纤维之间形成富树脂区域。Z
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pin增强技术可以提高复合材料的抗冲击性，从而改善复合材料层合板结构的性能，但也存在降低层合板的面内拉伸和压缩性能、层合板的疲劳寿命等问题，并且微结构的改变使得传统复合材料层合板理论已不再适用，单层均匀假设的有限元方法也已经无法预测Z
‑
pin三维增强复合材料层合板的宏观性能。因此，为了解决这些问题给建立一种基于物理机制且预测精度较高的Z
‑
pin三维增强复合材料层合板强度分析方法带来了挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对Z
‑r/>pin三维增强复合材料层合板(ZPLs)强度预测分析的复杂问题，提出一种从微观到宏观的多尺度分析方法来预测Z
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pin三维增强复合材料层合板的力学性能，该方法物理机制明确，能较好地预测其强度和失效过程，为其制备工艺指导提供有力的支撑。
[0005]本专利技术的技术方案具体如下：
[0006]一种预测Z
‑
pin三维增强复合材料强度的方法，其包括以下步骤：
[0007]S1：在微观尺度上，建立Z
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pin三维增强复合材料层合板单层的单胞几何构型；
[0008]S2：在介观尺度上，基于微观尺度的所述单胞几何构型，分别定义纤维的失效准则、基体的失效准则及纤维基体之间界面的失效准则，在有限元中进一步将相邻的多个单胞构建为不同纤维体积分数分布以及取向的单胞模型，对单胞模型施加周期性边界条件来求解纤维束强度，得到不同纤维体积分数分布以及取向下的应力应变曲线；
[0009]S3：在宏观尺度上，基于介观尺度的所述单胞模型进一步建立整个Z
‑
pin三维增强复合材料层合板的有限元模型，并通过设置失效准则来预测Z
‑
pin三维增强复合材料层合板中设置不同微观结构对于宏观材料强度的影响；
[0010]且在所述有限元模型中针对单胞内含纤维区域、富树脂区域和层间界面这三种不同区域采用三种不同的材料模型、失效准则以及损伤演化模型；其中对于含纤维区域采用3D Hashin准则，对于富树脂区域采用最大拉压应力以及最大剪应力准则，对于层间界面采
用最大二次名义应力准则。
[0011]作为优选，所述周期性边界条件的施加通过脚本的形式来实现。
[0012]作为优选，所述有限元模型中材料的定义通过Abaqus UMAT子程序实现，纤维变形区域材料方向通过脚本赋予各个单元。
[0013]作为优选，建立所述有限元模型后，在设定的失效准则下可分析包含Z
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pin直径、针距以及偏转角度在内的微观结构对宏观力学性能的影响。
[0014]作为优选，该方法通过线性损伤演化假设，用于实现Z
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pin三维增强复合材料层合板单胞的失效演化分析。
[0015]相对于现有技术而言，本专利技术的有益效果如下：
[0016]本专利技术提供了一种Z
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pin三维增强复合材料多尺度失效强度的分析方法。该方法基于针对ZPLs强度预测分析的复杂问题，提出一种从微观到宏观的多尺度分析方法来预测ZPLs的力学性能，该方法物理机制明确，能较好地模拟ZPLs损伤起始、演化和最终失效的全过程，可较为准确地预测其强度和失效过程，为其制备工艺指导提供有力的支撑。
[0017]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能更清楚的了解本专利技术的技术手段，并可以依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
[0018]图1为本专利技术提供的一种预测Z
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pin三维增强复合材料强度的方法的基本步骤流程图；
[0019]图2为本专利技术实施例提供的ZPLs单层的1/4单胞几何构型示意图；
[0020]图3为本专利技术提供的一种Z
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pin三维增强复合材料多尺度失效强度的分析流程；
[0021]图4为本专利技术实施例提供的ZPLs的典型铺层有限元模型图；其中(a)富树脂区域，(b)纤维变性区域，(d)Pin针区域，(e)富树脂区域及Z
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pin区域结合结构；
[0022]图5为本专利技术可获取的准各向同性对称铺层ZPLs在x轴拉伸工况下各个区域损伤云图；其中(a)界面损伤量云图(共7层界面，从左到右，从上到下的顺序依次是第1到第7层界面)，(b)富树脂区域损伤云图(拉伸失效)，(c)含纤维区域失效云图(基体拉伸失效)；
[0023]图6为本专利技术可获取的准各向同性对称铺层的ZPLs在x轴拉伸工况下应力
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应变曲线图；
[0024]图7为本专利技术可获取的不同Z
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pin直径对应的单向铺层ZPLs的单胞几何模型和网格划分；其中(a)R＝0.1mm对应的单胞几何模型，(b)R＝0.1mm对应的单胞网格划分，(c)R＝0.2mm对应的单胞几何模型，(d)R＝0.2mm对应的单胞网格划分；
[0025]图8为本专利技术可获取的不同Z
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pin直径对应的单向铺层ZPLs的宏观强度；其中(a)不同Z
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pin直径ZPLs的X方向拉伸强度，(b)不同Z
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pin直径ZPLs的X方向压缩强度，(c)不同Z
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pin直径ZPLs的面内剪切强度，(d)不同Z
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pin直径ZPLs的层间剪切强度；
[0026]图9为本专利技术可获取的不同Z
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pin植入针距对应的单向铺层ZPLs的宏观强度，其中(a)不同Z
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pin植入针距的X方向拉伸强度，(b)不同Z
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pin植入针距的X方向压缩强度，(c)不同Z
‑
pin植入针距的面内剪切强度，(d)不同Z
‑
pin植入针距的层间剪切强度。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测Z
‑
pin三维增强复合材料强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在微观尺度上，建立Z
‑
pin三维增强复合材料层合板单层的单胞几何构型；S2：在介观尺度上，基于微观尺度的所述单胞几何构型，分别定义纤维的失效准则、基体的失效准则及纤维基体之间界面的失效准则，在有限元中进一步将相邻的多个单胞构建为不同纤维体积分数分布以及取向的单胞模型，对单胞模型施加周期性边界条件来求解纤维束强度，得到不同纤维体积分数分布以及取向下的应力应变曲线；S3：在宏观尺度上，基于介观尺度的所述单胞模型进一步建立整个Z
‑
pin三维增强复合材料层合板的有限元模型，并通过设置失效准则来预测Z
‑
pin三维增强复合材料层合板中设置不同微观结构对于宏观材料强度的影响；且在所述有限元模型中针对单胞内含纤维区域、富树脂区域和层间界面这三种不同区域采用三种不同的材料模型、失效准则以及损伤演化模型；其中对于含纤维区域采用3D Hashin准则，对于富树脂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李起阳，谷军杰，曲绍兴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：