多层复合结构数值模型及性能特性研究方法技术

本发明专利技术提供了多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，涉及材料分析技术领域，包括以下步骤：步骤一：采用缝合线浸树脂的方法将玻璃纤维增强层和碳纤维织物层连结起来，构成两面是玻璃纤维，中间是碳纤维织物的复合材料；步骤二：采用ABAQUS软件建立玻璃纤维增强层、碳纤维织物层、玻璃纤维增强层复合材料平压有限元模型；本发明专利技术建立复合材料平压有限元模型，将缝合线树脂柱嵌入基体中进行多尺度分析，建立位移转换矩阵，进而推导复合材料细观单胞的刚度矩阵，以此进行有限元模拟，获取复合材料的全场位移、应变和应力响应特性，基于模型计算，有利于缩短工艺参数优化周期，降低成本，对提高构件的可靠性有着非常重要的意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
多层复合结构数值模型及性能特性研究方法


[0001]本专利技术涉及材料分析
，尤其涉及多层复合结构数值模型及性能特性研究方法。

技术介绍

[0002]油罐是一种储存油品的容器，是油库的主要设施，油罐按材质可分为非金属油罐和金属油罐两大类，金属油罐最为常用，非金属油罐一般仅用于军队野战油库，包括耐油橡胶软体油罐、玻璃钢油罐和塑料油罐等，油罐固有缺点如下：罐底板受双面腐蚀，极大增加了腐蚀穿孔的概率；能对罐底板渗(泄)漏储油状况下实时监测的方法或手段有限，难以发现微小泄漏、发现渗漏不及时；储罐储油后，下部罐壁受到较大压力，容易发生破裂事故，若发生高液位下罐体突发性开裂，势必会将防火堤冲毁，造成全部油品外泄，当失控的漫流油品遇火源被点燃后，将形成大面积的流火。
[0003]鉴于储油罐罐底腐蚀破坏的严重影响以及单层金属罐底板的结构局限性，从20世纪90年代初起，开始了双层罐底板结构以及新型泄漏检测方法的研究，立式储油罐中采用双层罐底结构，由上、下两层金属底板及其中间的支撑件(填充物)组成，两层罐底板之间形成环形空间，可避免单层罐底板结构的双面腐蚀，降低罐底板的腐蚀速率，同时防止油品泄漏时污染物的扩散，并能采取可靠方法进行油品泄漏检测，但是，以往的双层罐底复合结构的支撑件一般通过增强层和织物层组成，增强层和中间的立体织物层彼此分开，增强层是玻璃纤维毡铺层，层与层之间容易开裂，降低了层间结合力，特别是在玻璃纤维毡铺层搭接处，容易开裂，一旦开裂，将成为原油渗漏的起始点，会造成罐底的集中腐蚀，同时，在玻璃纤维毡增强层与立体织物之间，仅靠树脂进行粘结，存在一个界面层，该界面层较薄，造成粘结力较弱，在受到较大的冲击作用下，容易错开，使得该处也成为渗漏的集中区域；为了解决此问题，提出了：采用缝合线浸树脂的方法将玻璃纤维增强层和碳纤维织物层连结起来，构成两面是玻璃纤维，中间是碳纤维织物的复合材料，在此材料的研究中，由于玻璃纤维增强层、碳纤维立体织物层材料呈现出各向异性，其内部应力场非均匀化，本质上影响了复合材料的力学性能，传统的评价力学性能的方法不能反映应力分布的真实状态，同时，由于纵向缝合线的加入，使得材料内部纤维分布、相互作用等变得更加复杂，从而影响其全场力学性能分析，使得工艺参数优化周期长，成本高，因此，本专利技术提出多层复合结构数值模型及性能特性研究方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，该多层复合结构数值模型及性能特性研究方法基于模型计算，有利于缩短工艺参数优化周期，降低成本，对提高构件的可靠性有着非常重要的意义。
[0005]为实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：采用缝合线浸树脂的方法将玻璃纤维增强层和碳纤维织物层连结起来，构成两面是玻璃纤维，中间是碳纤维织物的复合材料；
[0007]步骤二：采用ABAQUS软件建立玻璃纤维增强层、碳纤维织物层、玻璃纤维增强层复合材料平压有限元模型，玻璃纤维增强层作为基体；
[0008]步骤三：采用Tie约束玻璃纤维增强层和碳纤维织物层之间不发生相对运动，采用Embedded约束缝合线树脂柱嵌入基体中；
[0009]步骤四：建立玻璃纤维增强层压缩失效准则，基于Hasin理论作为其失效损伤依据，损伤模式为基体的压缩压溃；
[0010]步骤五：碳纤维织物层采用单胞单元，缝合线树脂柱采用一维线性杆单元，建立几何结构模型；
[0011]步骤六：将缝合线树脂柱嵌入基体中进行多尺度分析，在不考虑缝合线树脂柱滑移的前提下，建立基体、缝合线树脂柱单元的位移转换矩阵，进而推导复合材料细观单胞的刚度矩阵；
[0012]步骤七：将缝合线树脂柱杆单元嵌入基体进行有限元模拟，获取复合材料的全场位移、应变和应力响应特性。
[0013]进一步改进在于：所述步骤二中，采用杆单元模拟缝合线树脂柱，用六面体单元模拟玻璃纤维增强层，将杆单元和六面体单元作为细观有限元实体模型。
[0014]进一步改进在于：所述步骤四中，具体公式如下：
[0015][0016]式中:Y
c
为横向压缩强度；S
T
为横向剪切强度；σ2为面板受到的横向应力；τ
12
为面板受到的剪切力。
[0017]进一步改进在于：所述步骤六中，刚度矩阵分基体八节点六面体单元的刚度矩阵和缝合线树脂柱两节点杆单元的刚度矩阵，首先，通过三维八节点六面体参数单元、坐标变换与位移模式，采用统一形函数推导出弹性矩阵D，应变矩阵B，得到基体八节点六面体单元的刚度矩阵：
[0018][0019]其中ε，η，ξ为节点的局部坐标。
[0020]进一步改进在于：缝合线树脂柱两节点杆单元的刚度矩阵为：
[0021][0022]其中，E
L
，A和L分别是缝合线的纵向弹性模量，截面积和单元内的长度。
[0023]进一步改进在于：所述步骤七中，将缝合线树脂柱杆单元嵌入基体进行有限元模拟的具体流程为：将复合材料的整体模型导入有限元软件ABAQUS/Standard中，采用六面体八节点减缩积分单元网格划分构件，输入相应的材料弹性常数，读取单元尺寸及缝合线几何位置信息，调用缝合线嵌入基体计算单元刚度并集成，然后施加边界条件，获取复合材料的全场位移、应变和应力响应特性。
[0024]进一步改进在于：所述步骤七中，采用桥联矩阵的方法，通过调节桥联参数表达细观几何结构和组分材料性能的变化。
[0025]本专利技术的有益效果为：
[0026]1、本专利技术采用ABAQUS软件建立复合材料平压有限元模型，以玻璃纤维增强层作为基体，将缝合线树脂柱嵌入基体中进行多尺度分析，建立位移转换矩阵，进而推导复合材料细观单胞的刚度矩阵，以此进行有限元模拟，获取复合材料的全场位移、应变和应力响应特性，基于模型计算，有利于缩短工艺参数优化周期，降低成本，对提高构件的可靠性有着非常重要的意义。
[0027]2、本专利技术采用杆单元模拟缝合线，用六面体单元模拟基体，将杆单元和六面体单元作为细观有限元实体模型进行研究，能够揭示材料损伤机理，评价材料性能，为三维编织复合材料的工程结构设计和分析提供依据，有利于反映应力分布的真实状态。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的复合材料主视图；
[0029]图2为本专利技术的基体及缝合线树脂柱有限元模型示意图。
具体实施方式
[0030]为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例对本专利技术做进一步详述，本实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。
[0031]实施例一
[0032]根据图1、2所示，本实施例提出了多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，包括以下步骤：
[0033]步骤一：采用缝合线浸树脂的方法将玻璃纤维增强层和碳纤维织物层连结起来，构成两面是玻璃纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用缝合线浸树脂的方法将玻璃纤维增强层和碳纤维织物层连结起来，构成两面是玻璃纤维，中间是碳纤维织物的复合材料；步骤二：采用ABAQUS软件建立玻璃纤维增强层、碳纤维织物层、玻璃纤维增强层复合材料平压有限元模型，玻璃纤维增强层作为基体；步骤三：采用Tie约束玻璃纤维增强层和碳纤维织物层之间不发生相对运动，采用Embedded约束缝合线树脂柱嵌入基体中；步骤四：建立玻璃纤维增强层压缩失效准则，基于Hasin理论作为其失效损伤依据，损伤模式为基体的压缩压溃；步骤五：碳纤维织物层采用单胞单元，缝合线树脂柱采用一维线性杆单元，建立几何结构模型；步骤六：将缝合线树脂柱嵌入基体中进行多尺度分析，在不考虑缝合线树脂柱滑移的前提下，建立基体、缝合线树脂柱单元的位移转换矩阵，进而推导复合材料细观单胞的刚度矩阵；步骤七：将缝合线树脂柱杆单元嵌入基体进行有限元模拟，获取复合材料的全场位移、应变和应力响应特性。2.根据权利要求1所述的多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，其特征在于：所述步骤二中，采用杆单元模拟缝合线树脂柱，用六面体单元模拟玻璃纤维增强层，将杆单元和六面体单元作为细观有限元实体模型。3.根据权利要求2所述的多层复合结构数值模型及性能特性研究方法，其特征在于：所述步骤四中，具体公式如下：式中:Y
c
为横向压缩强度；S
T

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓鹏，贺锋，梅勇，李季，张晓岚，秦岭，吕玉正，郑龙，孙云厚，李静，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，
类型：发明
国别省市：