引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法技术

引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法，包括：S1.建立纤维增强复合材料中褶皱缺陷的细观力学模型；S2.建立纤维增强复合材料储氢气瓶的有限元模型，划分单元并编号；S3.基于MATLAB

【技术实现步骤摘要】
引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法


[0001]本专利技术属于纤维增强复合材料结构力学分析领域，特别涉及引入随机缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶力学响应预测的虚拟测试方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料结构因其高比强度和高比刚度已经在车载高压储氢气瓶上得到了应用，然而因纤维增强复合材料自身多组成相、非均匀性和丰富的细观结构特征，以及在制造过程中由于环境与加工工艺等因素，气瓶的复合材料增强层中不可避免存在褶皱、分层、纤维脱粘等制造缺陷。这些制造缺陷在复合材料气瓶中严重程度不同且空间分布不均，不仅导致复合材料气瓶在服役性能上存在不确定性，也带来了其力学性能的预测上的困难。目前，国内外学者对纤维增强复合材料储氢气瓶的研究基本都是建立确定性的气瓶结构模型而不考虑初始制造缺陷的影响，少数考虑初始不确定性的复合材料气瓶的统计性分析也仅仅将纤维强度离散值作为分散性输入参数。而当考虑如褶皱等具体缺陷对纤维增强复合材料带来的力学响应影响时，研究人员通常是对层合板中的单个褶皱缺陷进行局部精细化的结构建模。若需在纤维增强复合材料储氢气瓶或其他宏观结构中实现缺陷精细化建模，则结构建模复杂度会大大提升，且进一步考虑引入分散性的缺陷结构建模需求则难以实现。因此，鉴于气瓶复合材料纤维增强层中的缺陷严重程度不一、且具有概率分布的特性，建立引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法具有重要的理论意义与工程应用价值。而基于此方法可以开展具有高可实施性和高效率的含缺陷复合材料储氢气瓶建模及力学响应虚拟测试，从而降低复合材料储氢气瓶的批量试验测试成本，并有助于提高分析结果的可信度。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种引入随机缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法。为解决上述技术问题，本专利技术的解决方案是：
[0004]引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法，包括下述过程：
[0005]S1.建立纤维增强复合材料中褶皱缺陷的细观力学模型；
[0006]S2.建立纤维增强复合材料储氢气瓶的有限元模型，划分单元并编号；
[0007]S3.基于MATLAB
‑
Python程序混编，建立纤维增强复合材料储氢气瓶中随机褶皱缺陷的参数化、跨尺度植入方法；
[0008]S4.对引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶开展内压加载下的虚拟测试，获得力学响应输出结果。
[0009]所述过程S1具体包括以下步骤：
[0010]S1.1：通过余弦函数描述纤维增强复合材料中褶皱的几何模型：
[0011][0012]其中，下标Graded和Uniform分别代表梯度型和均一型褶皱形式，A和L分别为褶皱波幅和波长，x为铺层面内主方向，z为铺层厚度方向，H
w
为纤维起皱区域的厚度，H为复合材料板的厚度。
[0013]S1.2：当一个代表性体积单元(RVE)包含一个完整的褶皱时，基于两步均匀化方法建立纤维增强复合材料中褶皱缺陷的细观力学模型，具体包括：
[0014]1.2.(a)首先将含褶皱的代表性体积单元(RVE)沿面内全局坐标系主方向x划分为若干窄带，每条窄带内的各铺层具有相同的离面偏转角度。分别在每条窄带内沿铺层厚度方向进行第一步均匀化计算。此时，将各单层在主材料坐标中的刚度矩阵[Q]转化至全局坐标系下：
[0015][0016]式中k表示单层板在层合板中所处位置，n为层合板总层数，θ
k
对铺层方向，[T
θk
]为平面内材料铺层主方向与全局坐标系主方向夹角为θ
k
的铺层转换矩阵。
[0017]1.2.(b)满足厚度方向第一步均匀化的假设是z方向上层间应力连续、变形协调：
[0018][0019]其中，[C
aa
]k
，[C
ab
]k
和[C
bb
]k
是纤维增强复合材料单层铺层的刚度矩阵，C
ij
(i，j＝1,2,3,4,5,6)为刚度系数，[C
*
]是等效刚度矩阵；{σ
*
}和{ε
*
}表示应力和应变，上标
*
表示通过第一步均匀化得到的等价或平均物理量。
[0020]1.2.(c)在第二步中，首先计算每条窄带离面偏转引起的刚度矩阵变化：
[0021][0022]其中l和φ
l
分别表示窄带编号及其离面偏转角度，m是窄带的总数，[T
φl
]为窄带的转换矩阵。
[0023]1.2.(d)然后在窄带间沿面内主方向进行第二步均匀化，相邻窄带在界面连续处应力连续、变形协调：
[0024][0025]其中，[C
*ee
]l
，[C
*ef
]l
和[C
*ff
]l
是通过第一步均匀化得到的铺层整体等效刚度矩阵[C
*
]的子矩阵，C
*ij
(i，j＝1,2,3,4,5,6)为其中的等效刚度系数；{σ
**
}和{ε
**
}表示应力和应变，上标
**
表示经过两步均匀化计算在整个RVE内部等价或平均的物理量，[C
**
]即为褶皱缺陷单元的等效刚度矩阵。
[0026]S1.3：在MATLAB中基于上述过程建立复合材料褶皱缺陷细观力学模型的三维有限元计算程序“Magic matrix”，通过输入纤维增强复合材料参数、铺层参数和褶皱参数计算得到褶皱缺陷单元的等效刚度矩阵。
[0027]所述过程S2具体包括：基于通用的有限元软件ABAQUS建立复合材料结构的各部件的模型，并利用ABAQUS自带的装配(Assembly)模块对部件进行组装得到结构整体；在网格(Mesh)模块进行网格划分，并输出网格划分后的复合材料结构中n个单元的编号，此处的单元即可对应随机抽取为缺陷的代表性体积单元(RVE)；在载荷(Load)模块设置约束与加载条件；之后设置分析步(Step)及其他通用属性。
[0028]所述过程S3具体包括以下步骤：
[0029]S3.1：建立纤维增强复合材料储氢气瓶中的褶皱缺陷及其分布的参数化描述，具体包括：
[0030]3.1.(a)提取最大纤维偏转角θ
max
作为褶皱的缺陷特征参数，其与描述褶皱几何结构的波幅A和波长L参数具有等价转换关系：
[0031]A/L＝tan(θ
max
)/π
ꢀꢀꢀ
(6)
[0032]3.1.(b)采用正态分布描述褶皱缺陷的严重程度分布：
[0033][0034]其中S表示最大纤维偏转角θ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法，其特征在于，包括下述过程：S1.建立纤维增强复合材料中褶皱缺陷的细观力学模型；S2.建立纤维增强复合材料储氢气瓶的有限元模型，划分单元并编号；S3.基于MATLAB
‑
Python程序混编，建立纤维增强复合材料储氢气瓶中随机褶皱缺陷的参数化、跨尺度植入方法；S4.对引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶开展内压加载下的虚拟测试，获得力学响应输出结果。2.如权利要求1所述的引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法，其特征在于，过程S1具体包括以下步骤：S1.1：通过余弦函数描述纤维增强复合材料中褶皱的几何模型：其中，下标Graded和Uniform分别代表梯度型和均一型褶皱形式，A和L分别为褶皱波幅和波长，x为铺层面内主方向，z为铺层厚度方向，H
w
为纤维起皱区域的厚度，H为复合材料板的厚度；S1.2：当一个代表性体积单元(RVE)包含一个完整的褶皱时，基于两步均匀化方法建立纤维增强复合材料中褶皱缺陷的细观力学模型，具体包括：1.2.(a)首先将含褶皱的代表性体积单元(RVE)沿面内全局坐标系主方向x划分为若干窄带，每条窄带内的各铺层具有相同的离面偏转角度；分别在每条窄带内沿铺层厚度方向进行第一步均匀化计算；此时，将各单层在主材料坐标中的刚度矩阵[Q]转化至全局坐标系下：式中k(k＝1，2，
…
，n)表示单层板在层合板中所处位置，n为层合板总层数，θ
k
对铺层方向，[T
θk
]为平面内材料铺层主方向与全局坐标系主方向夹角为θ
k
的铺层转换矩阵；1.2.(b)满足厚度方向第一步均匀化的假设是z方向上层间应力连续、变形协调：
其中，[C
aa
]
k
，[C
ab
]
k
和[C
bb
]
k
是纤维增强复合材料单层铺层的刚度矩阵，C
ij
(i，j＝1,2,3,4,5,6)为刚度系数，[C
*
]是等效刚度矩阵；{σ
*
}和{ε
*
}表示应力和应变，上标
*
表示通过第一步均匀化得到的等价或平均物理量；1.2.(c)在第二步中，首先计算每条窄带离面偏转引起的刚度矩阵变化：其中l和φ
l
分别表示窄带编号及其离面偏转角度，m是窄带的总数，[T
φl
]为窄带的转换矩阵；1.2.(d)然后在窄带间沿面内主方向进行第二步均匀化，相邻窄带在界面连续处应力连续、变形协调：
其中，[C
*ee
]
l
，[C
*ef
]
l
和[C
*ff
]
l
是通过第一步均匀化得到的铺层整体等效刚度矩阵[C
*
]的子矩阵，C
*ij
(i，j＝1,2,3,4,5,6)为其中的等效刚度系数；{σ
**
}和{ε
**
}表示应力和应变，上标
**
表示经过两步均匀化计算在整个RVE内部等价或平均的物理量，[C
**
]即为褶皱缺陷单元的等效刚度矩阵；S1.3：在MATLAB中基于上述过程建立复合材料褶皱缺陷细观力学模型的三维有限元计算程序“Magic matrix”，通过输入纤维增强复合材料参数、铺层参数和褶皱参数计算得到褶皱缺陷单元的等效刚度矩阵。3.如权利要求1所述的引入随机褶皱缺陷及其概率分布的纤维增强复合材料储氢气瓶虚拟测试方法，其特征在于，过程S2具体包括：基于通用的有限元软件ABAQUS建立复合材料结构的各部件的模型，并利用ABAQUS自带的装配(Assembly)模块对部件进行组装得到结构整体；在网格(Mesh)模块进行网格划分，并输出网格划分后的复合材料结构中n个单元的编号，此处的单元即可对应随机抽取为缺陷的代...

【专利技术属性】
技术研发人员：文安戈，马利，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：