一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法及预测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法及预测系统，属于热塑性复合材料设计技术领域，所述预测方法包括步骤，S1：开展基体材料在不同温度下的应力松弛实验，获得基体材料从常温到高温的力学性能参数；S2：根据基体材料应力松弛实验数据，建立基体材料的广义Maxwell粘弹性本构模型；S3：基于桥联模型建立热塑性复合材料的三维粘弹性本构模型；S4：开展复合材料的高温应力松弛实验，对三维粘弹性本构模型参数进行修正；S5：结合修正后的热塑性复合材料三维粘弹性本构模型和CLT，计算复合材料层合板时间域上的等效松弛刚度。该方法能够高效准确的预测复合材料高温条件下的刚度演化规律，且不局限于单向复合材料层合板，无需建模。无需建模。无需建模。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法及预测系统


[0001]本专利技术涉及热塑性复合材料设计
，尤其涉及一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法及预测系统。

技术介绍

[0002]近年来，由于热塑性复合材料具有优异的高比刚度、比强度、韧性以及具有较高的使用温度，使高性能热塑性复合材料已成为航空航天领域的热门材料，尤其是作为热端承载结构。然而，由于热塑性复合材料力学性能随温度演化规律复杂，材料的刚度随温度和时间的变化而变化，使高温条件下热塑性复合材料力学性能难以准确预测，对高温条件下热塑性复合材料结构的精细化设计带来了挑战。
[0003]目前，复合材料高温性能预测方法主要为基于刚度折减的方法和基于细观力学的代表性体积单元(RVE)等方法，对于工程中常用的多铺层角、变角度复合材料层合板结构，上述方法难以高效准确预测。因此，有必要建立一种能够预测任一铺层角复合材料层合板力学性能随时间和温度演化的方法，以高效准确预测复合材料层合板高温下的刚度，为高温条件下复合材料结构的设计、优化提供技术支撑。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的问题，本专利技术旨在提供一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法，该预测方法基于粘弹性理论、复合材料细观力学和CLT理论，能够高效准确的预测复合材料高温条件下的刚度演化规律，同时该方法不局限于复合材料铺层形式，无需建模。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤，
[0007]S1：开展热塑性复合材料的基体材料在不同温度下的应力松弛实验，获得基体材料从常温到高温的力学性能参数；
[0008]S2：根据步骤S1中获取的基体材料应力松弛实验数据，建立基体材料的广义Maxwell粘弹性本构模型；
[0009]S3：基于桥联模型建立热塑性复合材料的三维粘弹性本构模型；
[0010]S4：开展热塑性复合材料的高温应力松弛实验，根据实验数据对步骤S3中建立的三维粘弹性本构模型参数进行修正；
[0011]S5：结合步骤S4中修正后的热塑性复合材料三维粘弹性本构模型和复合材料经典层合板理论，计算复合材料层合板时间域上的等效松弛刚度。
[0012]进一步的，步骤S2的具体操作包括以下步骤，
[0013]S201：根据步骤S1中获取的基体材料应力松弛实验数据，选取一个实验温度点作为粘弹性本构方程的参考温度，平移除参考温度外其余温度的应力松弛实验数据，拟合平移后的实验数据获取广义Maxwell模型中平衡分支的模量E
eq
和各非平衡分支的模量E
i
，以及各非平衡分支在参考温度的松弛时间τ
i
(T0)；
[0014]S202：建立基体材料的粘弹性本构方程，
[0015]τ
i
(T)＝τ
i
(T0)α(T)，
[0016][0017]式中，τ
i
(T)为T温度下第i个非平衡分支在的松弛时间，α(T)为时温转换因子，E为基体材料的松弛模量，E
i
为第i个非平衡分支的模量，N为非平衡分支的数量，t为松弛时间。
[0018]进一步的，步骤S202中时温转换因子α(T)表示为：
[0019][0020][0021]式中，C1、C2和A为与基体材料有关的参数，T为温度，T
M
和T
g
分别为WLF方程和Arrhenius方程的参考温度，F
c
为材料的构型能，k
b
为玻尔兹曼常数，T
s
为WLF方程和Arrhenius方程的交点。
[0022]进一步的，步骤S3的具体操作包括以下步骤，
[0023]S301：基于桥联模型，假设热塑性复合材料中的基体材料与纤维通过桥联矩阵关联，关系式为：
[0024]{σ
m
}＝[A]{σ
f
}
[0025]式中，{σ
m
}为基体材料应力，{σ
f
}为纤维应力，[A]为桥联矩阵；
[0026]S302：将步骤S2中建立的基体材料的粘弹性本构方程代入桥联模型，得到复合材料的三维粘弹性桥联矩阵表达式为
[0027][0028][0029][0030][0031][0032]式中，A
11
、A
22
、A
33
、A
44
、A
55
、A
66
、A
12
、A
13
为桥联系数，E
m
(T，t)为T温度t时间基体的弹性模量，为纤维轴向弹性模量，为纤维横向弹性模量，G
m
(T，t)为T温度t时间基体的剪
切模量，为纤维的剪切模量，v
m
为基体泊松比，为纤维泊松比，α和β为桥联参数；
[0033]S303：建立热塑性复合材料的三维粘弹性本构模型，则三维粘弹性桥联模型的模量表示为
[0034][0035][0036][0037][0038]式中，E
11
(T，t)、E
22
(T，t)、G
12
(T，t)和G
23
(T，t)为单向复合材料在T温度和t时刻的模量，下角标1代表纤维方向、2代表面内垂直于纤维的方向、3代表垂直于面1
‑
2的方向；V
f
、Ｖ
ｍ
分别为纤维和基体的体积分数，分别为纤维和基体的体积分数，为基体和纤维的柔度矩阵元素，对于单向复合材料，E
33
＝E
22
、G
13
＝G
12
。
[0039]进一步的，步骤S4中对桥联参数α和β进行修正。
[0040]进一步的，步骤S5的具体操作包括以下步骤，
[0041]S501：根据步骤S4中建立的三维粘弹性本构模型，基于CLT理论得到层合板第k层复合材料刚度矩阵Q
(k)
(T，t)
[0042][0043]S502：对第k层刚度矩阵Q
(k)
(T，t)进行转换，得到第k层非材料主方向的刚度矩阵为
[0044][0045]式中，[R
σ
]和[R
ε
]分别为应力转换矩阵和应变转换矩阵。
[0046]S503：基于第k层非材料主方向的刚度矩阵，计算复合材料层合板刚度矩阵，刚度矩阵各元素计算公式为
[0047][0048]式中，A
ij
为层合板拉伸刚度，B
ij
为层合板耦合刚度，D
ij
为层合板弯曲刚度；Z
k
和Z
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤，S1：开展热塑性复合材料的基体材料在不同温度下的应力松弛实验，获得基体材料从常温到高温的力学性能参数；S2：根据步骤S1中获取的基体材料应力松弛实验数据，建立基体材料的广义Maxwell粘弹性本构模型；S3：基于桥联模型建立热塑性复合材料的三维粘弹性本构模型；S4：开展热塑性复合材料的高温应力松弛实验，根据实验数据对步骤S3中建立的三维粘弹性本构模型参数进行修正；S5：结合步骤S4中修正后的热塑性复合材料三维粘弹性本构模型和复合材料经典层合板理论，计算复合材料层合板时间域上的等效松弛刚度。2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法，其特征在于：步骤S2的具体操作包括以下步骤，S201：根据步骤S1中获取的基体材料应力松弛实验数据，选取一个实验温度点作为粘弹性本构方程的参考温度，平移除参考温度外其余温度的应力松弛实验数据，拟合平移后的实验数据获取广义Maxwell模型中平衡分支的模量E
eq
和各非平衡分支的模量E
i
，以及各非平衡分支在参考温度的松弛时间τ
i
(T0)；S202：建立基体材料的粘弹性本构方程，τ
i
(T)＝τ
i
(T0)α(T)，式中，τ
i
(T)为T温度下第i个非平衡分支在的松弛时间，α(T)为时温转换因子，E为基体材料的松弛模量，E
i
为第i个非平衡分支的模量，N为非平衡分支的数量，t为松弛时间。3.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法，其特征在于，步骤S202中时温转换因子α(T)表示为：于，步骤S202中时温转换因子α(T)表示为：式中，C1、C2和A为与基体材料有关的参数，T为温度，T
M
和T
g
分别为WLF方程和Arrhenius方程的参考温度，F
c
为材料的构型能，k
b
为玻尔兹曼常数，T
s
为WLF方程和Arrhenius方程的交点。4.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料泛温度域等效刚度预测方法，其特征在于，步骤S3的具体操作包括以下步骤，S301：基于桥联模型，假设热塑性复合材料中的基体材料与纤维通过桥联矩阵关联，关系式为：{σ
m
}＝[A]{σ
f
}式中，{σ
m
}为基体材料应力，{σ
f
}为纤维应力，[A]为桥联矩阵；
S302：将步骤S2中建立的基体材料的粘弹性本构方程代入桥联模型，得到复合材料的三维粘弹性桥联矩阵表达式为三维粘弹性桥联矩阵表达式为三维粘弹性桥联矩阵表达式为三维粘弹性桥联矩阵表达式为三维粘弹性桥联矩阵表达式为式中，A
11
、A
22
、A
33
、A
44
、A
55
、A
66
、A
12
、A
13
为桥联系数，E
m
(T，t)为T温度t时间基体的弹性模量，为纤维轴向弹性模量，为纤维横向弹性模量，G...

【专利技术属性】
技术研发人员：马小龙，文立华，王时玉，校金友，祖磊，任萍，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：