一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法技术

一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法，包括以下步骤：1）对植物纤维/聚乳酸复合材料进行老化试验2）建立不同温度下的各老化材料吸水率随老化时间变化规律函数；3）建立不同温度下的各组分强度随老化时间变化规律函数；4）分别建立各组分强度与吸水率、温度之间关系函数；5）复合材料细观RVE模型建立；6）环境退化因子定义与引入；7）复合材料弹性性能计算；8）复合材料失效强度计算；9）宏观复合材料湿热老化性能预测。本发明专利技术充分考虑多尺度多因素的耦合作用，为绿色复合材料在实际应用提供老化后力学性能的预测模型及方法。能的预测模型及方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法


[0001]本专利技术属于复合材料的检测
，具体涉及一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法。

技术介绍

[0002]可降解是植物纤维增强复合材料最重要的优点之一。然而由于植物纤维的吸湿性和聚乳酸的可降解特性，其在湿度、湿热等服役环境下的耐久能力仍面临巨大挑战。目前面向汽车服役工况的复合材料老化研究主要集中在传统合成纤维增强树脂，例如碳纤维、玻璃纤维增强环氧树脂、酚醛树脂等。而对于植物纤维增强聚乳酸复合材料，由于植物纤维特有的亲水性和典型的多尺度多层次微观结构，以及聚乳酸自身的可降解特征，导致了其环境老化研究更加复杂和困难。
[0003]植物纤维增强复合材料的力学性能对湿热环境非常敏感。实验研究表明，吸湿和水热老化都会显著降低植物纤维增强复合材料的力学性能，影响其使用寿命。在植物纤维中，负责吸收水分的成分主要是半纤维素，半纤维素含量越高，水分吸收和降解程度越高，而不同的植物纤维结构形态也对水分扩散存在影响。通常在室温下的植物纤维增强复合材料的吸水规律遵循Fickian扩散规律，初始呈线性变化，长时间后吸水性逐渐变缓，趋于饱和。而在较高的温度下，吸湿行为显著加快，水分饱和时间大大缩短。
[0004]由于植物纤维的亲水性和复杂结构特点，以及聚乳酸基体的可降解性，长期湿热环境作用往往会引起复合材料中各组分(纤维、基体和纤维
‑
基体界面)性能均发生改变，而目前关于老化预测模型及方法的研究大都只针对纤维和基体，忽略了纤维/基体自身降解及其所带来的界面分离现象，不能从微
‑
细
‑
宏观层面多尺度充分反应分析短植物纤维增强复合材料中纤维、基体及界面各组分衰退对材料力学性能的影响。

技术实现思路

[0005]针对低碳汽车轻量化零部件设计需求，本专利技术提供一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法，为植物纤维/聚乳酸绿色复合材料在实际工程中的设计应用中提供参考和指导。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法，包括以下步骤：
[0007]1)制备植物纤维/聚乳酸复合材料，分别对复合材料、聚乳酸基体和植物纤维进行老化试验：选取典型植物纤维作为填充相，可降解聚乳酸作为基体材料，制备植物纤维/聚乳酸复合材料；参考汽车行业零部件加速老化标准，把事先干燥好的植物纤维、聚乳酸基体、植物纤维\聚乳酸复合材料放入不同温度的恒温水槽中进行人工加速老化，得到不同老化温度和老化时间的老化材料；
[0008]2)建立不同温度下的各材料吸水率随老化时间变化规律函数：对步骤1)中得到的
老化材料进行吸水率测试，聚乳酸基体和植物纤维\聚乳酸复合材料的吸水率可以直接通过电子秤测量，植物纤维的吸水率由聚乳酸基体和复合材料的吸水率间接计算，对各温度下材料吸水率随老化时间变化规律进行拟合，得到三种材料的吸水率(M)与老化温度(T)和老化时间(t)之间的函数，分别为纤维M
f
(t,T)，聚乳酸基体M
m
(t,T)和复合材料M
i
(t,T)；
[0009]3)建立不同温度下的各组分强度随老化时间变化规律函数：对步骤1)中得到的老化材料进行强度测试：其中，对聚乳酸基体进行哑铃拉伸试验，对植物纤维进行单纤维拉伸试验，对复合材料进行单纤维拔出试验，分别得到不同温度下聚乳酸基体、植物纤维、复合材料三者强度随老化时间变化的函数：S
m
(t,T)，S
f
(t,T)和S
i
(t,T)；
[0010]4)分别建立聚乳酸基体、植物纤维、复合材料各组分强度与吸水率、温度之间关系函数：对前面获得的数据进行整合，通过拟合数据分别得到植物纤维、聚乳酸基体和纤维
‑
基体界面三者强度随吸水率和老化温度变化的函数，分别为纤维S
f
(M,T)，基体S
m
(M,T)和纤维
‑
基体界面S
i
(M,T)；
[0011]5)复合材料细观RVE模型建立：从未老化植物纤维/聚乳酸复合材料中采样，进行X射线断层扫描，获得包含材料微观结构信息的断层灰度图像；对断层图像进行三维可视化分析，建立三维视图并完成纤维及聚乳酸基体的几何简化清理，将重构几何模型导入有限元分析软件，建立植物纤维/聚乳酸复合材料的细观RVE模型；
[0012]6)环境退化因子定义与引入：编写植物纤维、聚乳酸基体、复合材料界面模拟单元本构关系，对复合材料细观RVE模型进行属性定义，构建基于强度变化函数的各组分环境退化因子(D)函数，
[0013][0014]其中S(M
′
,T
′
)是温度为T
′
，吸湿度为M
′
时的强度，S(M0,T0)是材料初始强度。由上式可以得到纤维的退化因子函数D
f
(M,T)，基体的退化因子函数D
m
(M,T)和纤维
‑
基体界面的退化因子函数D
i
(M,T)；
[0015]7)复合材料弹性性能计算：引入退化因子，对各组分弹性性能参数进行修正；在周期性边界条件下，对RVE模型施加线性不相关位移载荷并进行仿真，获得不同温度和吸水率的宏观复合材料弹性性能；
[0016]8)复合材料失效强度计算：针对细观模型中的植物纤维、聚乳酸基体和复合材料界面三个组分，分别定义对应的初始失效准则和损伤扩展准则，引入退化因子，对失效参数进行修正，并进行数值模拟，得到不同吸水率和温度下的宏观复合材料失效强度；
[0017]9)宏观复合材料湿热老化性能预测：建立复合材料拉伸、三点弯曲试件宏观模型，将基于细观RVE模型仿真得到的依赖吸水率和温度变化的复合材料宏观弹性性能函数和失效强度函数，代入到宏观模型中，设置湿热环境进行有限元分析，对湿热老化工况下不同老化程度的植物纤维/聚乳酸复合材料力学性能进行预测。
[0018]步骤1)中，所述植物纤维/聚乳酸复合材料由黄麻纤维和聚乳酸颗粒通过注塑成型制备得到。
[0019]步骤5)中，所述有限元软件为Abaqus软件；所述三维可视化分析采用Avizo9.0软件。
[0020]步骤8)中，纤维的失效准则采用最大应力准则；聚乳酸基体失效准则采用广义的
Mises失效准则；对复合材料中纤维
‑
基体界面采用二次应力准则。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0022]1)本专利技术围绕我国“碳达峰”、“碳中和”建设目标，针对当前节能减排和环境保护的时代需求，进行面向低碳汽车的植物纤维/聚乳酸绿色复合材料老化性能多尺度预测方法研究，探索农作物原料化新路径，破解石油能源危机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备植物纤维/聚乳酸复合材料，分别对复合材料、聚乳酸基体和植物纤维进行老化试验，得到不同老化温度和老化时间的老化材料；2)对步骤1)中得到的老化材料进行吸水率测试，分别得到不同老化温度下植物纤维、聚乳酸基体和复合材料三者吸水率随老化时间变化的函数：M
f
(t,T)，M
m
(t,T)和M
i
(t,T)；3)对步骤1)中得到的老化材料进行强度测试，其中，对聚乳酸基体进行哑铃拉伸试验，对植物纤维进行单纤维拉伸试验，对复合材料进行单纤维拔出试验，分别得到不同温度下聚乳酸基体、植物纤维、复合材料三者强度随老化时间变化的函数：S
m
(t,T)，S
f
(t,T)和S
i
(t,T)；4)分别建立聚乳酸基体、植物纤维、复合材料各组分强度与吸水率、温度之间关系函数；通过拟合数据分别得到植物纤维、聚乳酸基体和纤维
‑
基体界面三者强度随吸水率和老化温度变化的函数：S
f
(M,T)，S
m
(M,T)和t
i
(M,T)；5)复合材料细观RVE模型建立：从未老化植物纤维/聚乳酸复合材料中采样，进行X射线断层扫描，获得包含材料微观结构信息的断层灰度图像；对断层图像进行三维可视化分析，建立三维视图并完成纤维及聚乳酸基体的几何简化清理，将重构几何导入有限元分析软件，建立植物纤维/聚乳酸复合材料的细观RVE模型；6)环境退化因子定义与引入：编写植物纤维、聚乳酸基体、复合材料界面模拟单元本构关系，对复合材料细观RVE模型进行属性定义；构建基于强度变化函数的各组分环境退化因子(D)函数，其中，S(M
′
,T
′
)是温度为T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：慕文龙，陈湘林，孙育峰，张博强，王振锋，高献坤，胡源，王庆朋，周开塬，郭文翠，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：