三维编织复合材料性能自适应单元分析方法技术

本发明专利技术涉及一种三维编织复合材料性能自适应单元分析方法，包括：1)定义异形截面三维编织复合材料的单元——自适应单元；2)将自适应单元等效为长方体单元；3)基于自适应单元方法的确定异形截面三维编织复合材料整体纤维体积百分含量；4)基于自适应单元方法的分析异型截面三维编织复合材料的弹性性能等步骤。本发明专利技术针对异形截面三维编织复合材料性能存在梯度提出了精确预测其性能的自适应单元及其等效方法；并提出用于数字化描述其性能的步长控制方法，即模型计算精度可通过细化不同坐标方向的步长得以提高。与传统的基于单胞法的预测模型相比不仅有效解决了复杂几何形状三维编织复合材料性能预测问题，而且预测精度更高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种异形三维编织材料性能的分析方法，尤其涉及一种基于细观单元结构的三维编织复合材料性能的自适应单元分析方法。
技术介绍
三维编织复合材料以其优异的力学性能得到航空航天、国防和医疗等行业的广泛关注，异形三维编织复合材料在上述领域得到了广泛应用。但其梯度性能的有效预测、分析方法则非常少。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种异形三维编织复合材料性能的自适应单元分析方法。申请人经研究发现，异形截面三维编织复合材料的性能体现出明显的梯度变化趋势，传统的数学模型无法完成其性能的定量描述。申请人通过对三维编织工艺及材料内部细观几何结构的详细研究，提出用于一种描述三维编织复合材料梯度性能的自适应单元方法，即将用于分割三维编织复合材料的自适应六面体单元等效为长方体单元，两种单元体积恒等，花节相等，纤维体积百分含量相同；在计算复合材料内部确定坐标位置的力学性能时，用该单元进行自适应覆盖，用混合法计算出单元的力学性能代表该点的力学性能，进而实现复合材料内部随坐标位置变化而变化的物理性能数字·化描述，达到预测和分析异形截面三维编织复合材料性能的目的。基于上述研究，本专利技术提出一种异形三维编织复合材料性能的自适应单元分析方法，该自适应单元方法包括描述实际三维编织复合材料内部几何结构的自适应单元及用于等效其结构及性能的长方体单元。自适应单元方法描述的单元几何结构自适应三维编织材料的自身结构，其体积及性能随织物宏观结构变化而变化。等效长方体单元与其等效的自适应单元的纱线交叉方法相同、体积恒等，花节相等，纤维体积百分含量相同。本专利技术所述具体包括如下步骤I)定义异形截面三维编织复合材料的单元——自适应单元设维编织复合材料构件内部某一自适应单元在空间区域E围成的三元函数为 f (X，y，ζ)，且函数f (X, y, ζ)在区域E上连续,其体积为Uz = / / / E, f (y, z) dzdydx2)将自适应单元等效为长方体单元设异形截面三维编织复合材料的性能μ (X, y, ζ)在自适应单元内部与相邻单元边界连续变化，将三维编织复合材料的自适应单元等效为长方体单元，等效方法如下2. I两种单元的纱线交叉方法相同、体积及花节恒等，即Uz = Uc = WL δ c, δ ζ = δ c式中Uz和δ z分别表示自适应单元的体积及花节；U。和δ。分别表示等效长方体单元的体积及花节；2. 2纤维体积百分含量相同自适应单元的纤维体积百分含量Vzf = Uzf/Uz等效长方体单元的纤维体积百分含量Vc = Ucf/Uc即Vcf = Vzf式中Uzf和Ucf分别表示自适应单元和长方体单元中纤维的体积；3)基于自适应单元方法的确定异形截面三维编织复合材料整体纤维体积百分含3. I定义异形截面三维编织复合材料的三维坐标点并进行数字化描述，用i (a，b， c,...)来标识需要描述的织物内部的坐标点,每个坐标点分别对应一个用于覆盖该坐标点的自适应单元，并对应一个等效长方体单元，前述对应坐标点的等效长方体单元用j (1，2，3,...)来标识；3. 2根据精度需要来确定步长，步长越小，性能描述的精度越高，在织物内部不同坐标方向分别有三个步长Sx、Sy和Sz ；3. 3计算异形截面三维编织复合材料坐标点纤维体积百分含量Vi = Ufajj0ZUijjX 100%式中Uf^j)表示坐标点i(a，b，c，...)处第j(l，2，3，···)个等效长方体单元中纤维的体积·Α,」表示坐标点i (a，b，C，...)处第j (1，2，3，...)个等效长方体单元中的体积。4)基于自适应单元方法的分析异型截面三维编织复合材料的弹性性能4. I将用于描述异型截面三维编织复合材料的自适应单元用相应的长方体单元等效，单元中有n(i = l，2，...，n)根纱线，设等效单元中不同倾斜状态纱线的正轴刚度阵为 f(i)，其计算公式为 (j) = f ⑴式中为哈密尔顿应力转换矩阵，决定于纱线的倾斜状态；τ为矩阵的转置矩阵。4. 2设织物内部某坐标位置点(X，y, ζ)的等效长方体单元体积为U(x, y, z)，单元中第i根纱线的体积为Uf,i，则该纱线占等效单元的体积白分数为Vf ⑴=UfVU(Wz)XlOO^4. 3设基体的刚度矩阵为m，则异型截面三维编织复合材料确定坐标位置点(X， 1，ζ)等效长方体局部刚度矩阵表达式为权利要求1.，其特征在于包括如下步骤1)定义异形截面三维编织复合材料的单元——自适应单元设维编织复合材料构件内部某一自适应单元在空间区域E围成的三元函数为f (X，Y, Z),且函数f (X, y, Z)在区域E上连续,其体积为Uz = / f f Ef (x, y, z) dzdydx2)将自适应单元等效为长方体单元设异形截面三维编织复合材料的性能μ U，1，ζ)在自适应单元内部与相邻单元边界连续变化，将三维编织复合材料的自适应单元等效为长方体单元，等效方法如下·2.I两种单元的纱线交叉方法相同、体积及花节恒等，即Uz = Uc = WL δ c, δ ζ = δ c式中Uz和δ z分别表示自适应单元的体积及花节；U。和δ。分别表示等效长方体单元的体积及花节；·2.2纤维体积百分含量相同自适应单元的纤维体积百分含量Vzf = uzf/uz等效长方体单元的纤维体积百分含量Vc = Ucf/Uc即 VCf = Vzf式中Uxf和Ucf分别表示自适应单元和长方体单元中纤维的体积；·3)基于自适应单元方法的确定异形截面三维编织复合材料整体纤维体积百分含量·3.I定义异形截面三维编织复合材料的三维坐标点并进行数字化描述，用i(a，b， c,...)来标识需要描述的织物内部的坐标点,每个坐标点分别对应一个用于覆盖该坐标点的自适应单元，并对应一个等效长方体单元，前述对应坐标点的等效长方体单元用j (1,2, 3,...)来标识；·3.2根据精度需要来确定步长，步长越小，性能描述的精度越高，在织物内部不同坐标方向分别有三个步长Sx、Sy和Sz ；·3.3计算异形截面三维编织复合材料坐标点纤维体积百分含量Vi = Uf(i,^Ui,J X 100%式中Uf(i,」)表示坐标点i(a，b，C，...)处第j(l，2，3，...)个等效长方体单元中纤维的体积表示坐标点i (a，b，C，...)处第j (1，2，3，...)个等效长方体单元中的体积。·4)基于自适应单元方法的分析异型截面三维编织复合材料的弹性性能·4.I将用于描述异型截面三维编织复合材料的自适应单元用相应的长方体单元等效， 单元中有n(i = 1,2,...,η)根纱线，设等效单元中不同倾斜状态纱线的正轴刚度阵为 f(i)，其计算公式为f ⑴= f (j) 式中为哈密尔顿应力转换矩阵，决定于纱线的倾斜状态；τ为矩阵的转置矩阵。·4.2设织物内部某坐标位置点(X，y, ζ)的等效长方体单元体积为U(x,y,z)，单元中第i 根纱线的体积为Uf, i，则该纱线占等效单元的体积白分数为Vf ⑴=Κ,Ζ)Χ100%.4.3设基体的刚度矩阵为m，则异型截面三维编织复合材料确定坐标位置点(x，y，z) 等效长方体局部刚度矩阵表达式为全文摘要本专利技术涉及一种，包括1)定义异形截面三维编织复合材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维编织复合材料性能自适应单元分析方法，其特征在于包括如下步骤：1)定义异形截面三维编织复合材料的单元——自适应单元：设维编织复合材料构件内部某一自适应单元在空间区域E围成的三元函数为f(x，y，z)，且函数f(x，y，z)在区域E上连续，其体积为：Uz＝∫∫∫Ef(x，y，z)dzdydx2)将自适应单元等效为长方体单元：设异形截面三维编织复合材料的性能μ(x，y，z)在自适应单元内部与相邻单元边界连续变化，将三维编织复合材料的自适应单元等效为长方体单元，等效方法如下：2.1两种单元的纱线交叉方法相同、体积及花节恒等，即Uz≡Uc＝WLδc，δz＝δc式中Uz和δz分别表示自适应单元的体积及花节；Uc和δc分别表示等效长方体单元的体积及花节；2.2纤维体积百分含量相同自适应单元的纤维体积百分含量Vzf＝Uzf/Uz等效长方体单元的纤维体积百分含量Vc＝Ucf/Uc即Vcf＝Vzf式中Uxf和Ucf分别表示自适应单元和长方体单元中纤维的体积；3)基于自适应单元方法的确定异形截面三维编织复合材料整体纤维体积百分含量：3.1定义异形截面三维编织复合材料的三维坐标点并进行数字化描述，用i(a，b，c，...)来标识需要描述的织物内部的坐标点，每个坐标点分别对应一个用于覆盖该坐标点的自适应单元，并对应一个等效长方体单元，前述对应坐标点的等效长方体单元用j(1，2，3，...)来标识；3.2根据精度需要来确定步长，步长越小，性能描述的精度越高，在织物内部不同坐 标方向分别有三个步长Sx、Sy和Sz；3.3计算异形截面三维编织复合材料坐标点纤维体积百分含量：Vi＝Uf(i，j)/Ui，j？×100％式中Uf(i，j)表示坐标点i(a，b，c，...)处第j(1，2，3，...)个等效长方体单元中纤维的体积；Ui，j表示坐标点i(a，b，c，...)处第j(1，2，3，...)个等效长方体单元中的体积。4)基于自适应单元方法的分析异型截面三维编织复合材料的弹性性能：4.1将用于描述异型截面三维编织复合材料的自适应单元用相应的长方体单元等效，单元中有n(i＝1，2，...，n)根纱线，设等效单元中不同倾斜状态纱线的正轴刚度阵为[C]f(i)，其计算公式为：[C′]f(i)＝[A][C]f(j)[A]T式中[A]为哈密尔顿应力转换矩阵，决定于纱线的倾斜状态；[A]T为矩阵[A]的转置矩阵。4.2设织物内部某坐标位置点(x，y，z)的等效长方体单元体积为U(x，y，z)，单元中第i根纱线的体积为Uf，i，则该纱线占等效单元的体积白分数为Vf(i)＝Uf，i/U(x，y，z)×100％4.3设基体的刚度矩阵为[C]m，则异型截面三维编织复合材料确定坐标位置点(x，y，z)等效长方体局部刚度矩阵表达式为：[C](x,y,z)=ΣinVf(i)[C′]f(i)+Vm[C]m=Σi=1n[A][C]f(i)[A]Tvf(i)+Vm[C]m该局部刚度矩阵表达式用于表达确定坐标位置的刚度，式中Vm为基体体积百分数。4.4确定坐标位置点(x，y，z)复合材料柔度矩阵为：[S](x,y,z)=[C](x,y,z)-14.5异形截面三维编织复合材料的某坐标位置(x，y，z)各项弹性系数函数如下：Ex＝1/S11，Ey＝1/S22，Ez＝1/S33，Gxy＝1/S55，Gyz＝1/S44，Gzx＝1/S66，vxy＝？S13/S11，vyz＝？S23/S33，vzx＝？S12/S11。上述Ex，Ey及Ez表示在复合材料内部点(x，y，z)不同坐标方向的拉伸弹性模量；上述Gxy，Gyz及Gzx表示在复合材料内部点(x，y，z)不同坐标方向的剪切弹性模量；上述vxy，vyz及vzx表示在复合材料内部点(x，y，z)不同坐标方向的泊松比。上述S11、S22、S33、S44、S55、S66可以用Sij来指代，其表示的是[S](x，y，z)中第i行第j列的矩阵元素，其中i表示的是矩陈S的行数，j表示的是矩陈S的列数。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建勋，马文锁，李天兴，唐亦囡，
申请(专利权)人：中材科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：