多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法技术

本发明专利技术适用于纤维增强复合材料技术领域，提供了多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：按照预设结构对连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；将模型导入Abaqus中；将连续碳纤维纱线框架定义为横观各向同性材料并赋予按照桥连矩阵方式计算出的材料力学参数；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料定义为各向同性材料并赋予实际测得的材料力学参数；将两者组装，划分网格、设置约束并施加应力；计算力学性能仿真分析结果。本发明专利技术首次将有限元分析方法引入多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的静态力学性能分析中，旨在有效分析复杂构成的复合材料的应力分布。旨在有效分析复杂构成的复合材料的应力分布。旨在有效分析复杂构成的复合材料的应力分布。

【技术实现步骤摘要】
多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法


[0001]本专利技术属于纤维增强复合材料
，尤其涉及多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法。

技术介绍

[0002]由于碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具备优异的综合性能、可自动化高效率地制备和清洁可回收的性质，自从出现以来，这种材料获得了较多的关注，应用也越来越广泛，特别是在半结构和工程应用中，是一种有吸引力的金属部件替代品。
[0003]多年来，制备碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料已发展了多种方法。目前应用最广泛的就是短纤注塑成型与单向连续纤维增强的预浸片，前者因纤维长度限制，就性能而言增强效果并不是很理想，后者在实际应用的过程中，当应力状态不能确定或应力状态需要各个方向近似，就需要对单向连续增强的复合材料进行单向铺层再设计，而单向连续纤维制成的层合板易发生层间破坏，其优势就大大减弱，工序和成本也相对较高。
[0004]现有的一种仿生碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，其利用多级碳纤维增强聚醚醚酮树脂，收获了良好的力学性能。然而在受到应力时其内部各个组分的受力大小及应变情况仍不明确，为此我们提出多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的仿真力学性能分析方法，仿真多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料内部受力后的应力、形变及位移情况，进一步明确该复合材料的应力传递途径。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，旨在解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、按照预设结构对多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料建模，即连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；
[0009]所述多级碳纤维增强包括连续碳纤维纱线增强与非连续长碳纤维增强；其中，连续碳纤维纱线中的每一根碳纤维均被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将碳纤维纱线包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体；三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，视作各向同性均质材料；
[0010]步骤二、将建立好的模型导入有限元分析软件中；
[0011]步骤三、定义连续碳纤维纱线框架材料种类并赋予材料力学参数；
[0012]步骤四、定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料材料种类并赋予材料力学参数；
[0013]步骤五、将连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料组装，划分网格、设置约束并施加应力；
[0014]步骤六、计算得到多级碳纤维增强的聚醚醚酮基复合材料的静态力学性能仿真分析结果。
[0015]进一步的，所述步骤一的具体操作为：按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用Solidworks对连续碳纤维纱线框架建模；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料视作均质各向同性材料，使用Solidworks建模。
[0016]进一步的，所述步骤一中，根据异色瓢虫前翅的内部仿生结构的连续碳纤维纱线的走向及粗细，使用Solidworks对其单增强单元进行建模。
[0017]进一步的，所述步骤二的具体操作为：将建立好的模型导入有限元分析软件Abaqus中。
[0018]进一步的，所述步骤三的具体操作为：定义连续碳纤维纱线框架为横观各向同性材料，赋予连续碳纤维纱线框架通过桥联微观力学模型计算出的材料力学参数。
[0019]进一步的，所述步骤三中，根据桥联矩阵的方法计算连续碳纤维纱线框架的材料力学参数，包括弹性模量和泊松比。
[0020]进一步的，所述步骤四的具体操作为：定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料为各向同性均质材料，赋予三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料实际测得的材料力学参数。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022](1)该多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料视作各向同性均质材料，在保证数据真实可靠的前提下最大程度的简化了仿真步骤。
[0023](2)该多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，为了使计算得到的碳纤维纱线的横向性能更为精确，选择了桥联微观力学模型进行计算，摒弃掉了传统的混合方法。
[0024](3)该多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法的流程清晰，对微机计算能力的要求不高，得到的结果精确可靠，为后续复合材料的加工及缺陷预测提供了先行依据，具有较高的应用价值。
附图说明
[0025]图1为实施例1中S4步骤连续碳纤维纱线框架及三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料装配后的3D模型。
[0026]图2为实施例1中S5步骤材料整体划分网格后的3D模型。
[0027]图3为实施例1中S6步骤固定约束和施加应力的模型示意图。
[0028]图4为实施例1中各步骤处理后的位移云图。其中，(a)为压缩后多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料整体的位移云图；(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的位移云图。
[0029]图5为实施例2中各步骤处理后的应力云图。其中，(a)为压缩后多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料整体的应力云图；(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的应力云图。
[0030]图6为实施例3中各步骤处理后的应变云图。其中，(a)为压缩后多级碳纤维增强聚
醚醚酮复合材料整体的应变云图；(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的应变云图。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0032]以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述。
[0033]本专利技术一个实施例提供的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
[0034]步骤一、按照预设结构对多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料建模，即连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；
[0035]所述多级碳纤维增强包括连续碳纤维纱线增强与非连续长碳纤维增强；其中，连续碳纤维纱线中的每一根碳纤维均被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将碳纤维纱线包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体；三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，视作各向同性均质材料；
[0036]步骤二、将建立好的模型导入有限元分析软件中；
[0037]步骤三、定义连续碳纤维纱线框架材料种类并赋予材料力学参数；
[0038]步骤四、定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料材料种类并赋予材料力学参数；
[0039]步骤五、将连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、按照预设结构对多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料建模，即连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；所述多级碳纤维增强包括连续碳纤维纱线增强与非连续长碳纤维增强；其中，连续碳纤维纱线中的每一根碳纤维均被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将碳纤维纱线包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体；三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，视作各向同性均质材料；步骤二、将建立好的模型导入有限元分析软件中；步骤三、定义连续碳纤维纱线框架材料种类并赋予材料力学参数；步骤四、定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料材料种类并赋予材料力学参数；步骤五、将连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料组装，划分网格、设置约束并施加应力；步骤六、计算得到多级碳纤维增强的聚醚醚酮基复合材料的静态力学性能仿真分析结果。2.根据权利要求1所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤一的具体操作为：按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用Solidworks对连续碳纤维纱线框架建模；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梅，周星宇，孙大辉，赵姗姗，蒋俊辉，党俊波，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：