一种预测平面编织复合材料残余热应力的新方法技术

一种预测平面编织复合材料残余热应力的新方法，它有三大步骤：一、根据纤维束的平面编织方式，选择最小的重复性单元作为代表性体积元，由此确定其胞体单元，在此基础上，根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形与受力状况，获得简化的胞体单元模型；步骤二、根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形协调条件，分析胞体单元内的基体和纤维的受力，获得组分材料热变形与胞体单元内力之间的本构关系，从而建立平面编织复合材料单层板的热应力分析模型；步骤三、根据平面编织复合材料单层板与纯基体层的热变形协调条件，建立其热应力方程，通过组分材料性能预测平面编织复合材料层合板的宏观残余热应力。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，它有三大步骤：一、根据纤维束的平面编织方式，选择最小的重复性单元作为代表性体积元，由此确定其胞体单元，在此基础上，根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形与受力状况，获得简化的胞体单元模型；步骤二、根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形协调条件，分析胞体单元内的基体和纤维的受力，获得组分材料热变形与胞体单元内力之间的本构关系，从而建立平面编织复合材料单层板的热应力分析模型；步骤三、根据平面编织复合材料单层板与纯基体层的热变形协调条件，建立其热应力方程，通过组分材料性能预测平面编织复合材料层合板的宏观残余热应力。【专利说明】
本专利技术涉及，属于复合材料
。
技术介绍
复合材料在加工和应用过程中，由于基体和纤维的热膨胀系数不同以及加工工艺条件的影响，会导致复合材料内部残余热应力的产生。残余热应力对复合材料的力学性能有重要的影响，基体中的残余拉应力和纤维中的残余压应力会导致材料在拉伸载荷的作用下提前进入屈服状态，从而，降低复合材料的强度。多年来，人们通过实验、数值模拟和解析法对复合材料残余热应力问题进行了深入研究，通过实验手段直接测量平面编织复合材料残余热应力成本较高，且测试过程中易受到很多偶然因素的影响；有限元数值模拟方法需要建立复杂的有限元模型，计算复杂，计算效率低，计算精度难以保证；因此，本专利技术运用细观力学分析方法研究编织复合材料细观结构对其残余热应力的影响，获得复合材料材料残余热应力的解析解，仅仅需要少量的材料性能参数就能快速准确的预测复合材料残余热应力，实现编织复合材料宏观性能的优化设计，可见本专利技术具有重要学术意义和工程应用价值。
技术实现思路
1、目的:本专利技术的目的是提供，它克服了现有技术的不足，可方便而快捷地预测平面编织复合材料层合板的宏观残余热应力。2、技术方案:本专利技术，该方法具体步骤如下:步骤一、根据纤维束的平面编织方式(如周期性和重复性等)，选择最小的重复性单元作为代表性体积元，由此确定其胞体单元，在此基础上，根据冷却固化过程中组分材料:基体和纤维的收缩变形与受力状况，对胞体单元进行简化，获得简化的胞体单元模型；根据图1所示的织布编织方式，考虑编织的周期性和重复性，选择代表性体积元模型，图2为所选的代表性体积元(胞体单元)，包含了 2条正交的经向纱和纬向纱(纤维束)，其中方向I定义为经向，方向2定义为纬向。根据图2，可以得到经向纱和纬向纱的中心线Z坐标表达式:【权利要求】1.，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤一、根据纤维束的周期性和重复性平面编织方式，选择最小的重复性单元作为代表性体积元，由此确定其胞体单元，在此基础上，根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形与受力状况，对胞体单元进行简化，获得简化的胞体单元模型； 根据织布编织方式，考虑编织的周期性和重复性，选择代表性体积元模型，它包含了 2条正交的经向纱和纬向纱，其中方向I定义为经向，方向2定义为纬向，得到经向纱和纬向纱的中心线Z坐标表达式:..h.2πχ 2.根据权利要求1所述的，其特征在于:在步骤一中所述的“体积元”是指具有三轴向编织特征的三维单元。3.根据权利要求1所述的，其特征在于:在步骤二中所述的基体和纤维的收缩变形协调条件是指纤维的收缩量等于基体的伸长量。4.根据权利要求1所述的，其特征在于:在步骤三中所述的建立平面编织复合材料单层板与纯基体层之间的热应力方程，其建立过程如下:采用公式(11)和(12)的相似推导原理，导出胞体单元在经向和纬向的收缩变形量分别为 【文档编号】G06F17/50GK103473440SQ201310363528【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日 【专利技术者】熊峻江, 吕志阳, 罗淋尹 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测平面编织复合材料残余热应力的新方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一、根据纤维束的周期性和重复性平面编织方式，选择最小的重复性单元作为代表性体积元，由此确定其胞体单元，在此基础上，根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形与受力状况，对胞体单元进行简化，获得简化的胞体单元模型；根据织布编织方式，考虑编织的周期性和重复性，选择代表性体积元模型，它包含了2条正交的经向纱和纬向纱，其中方向1定义为经向，方向2定义为纬向，得到经向纱和纬向纱的中心线Z坐标表达式：z1(x)=h12sin2πxL1z2(y)=h22sin2πyL2z3(y)=b12cosπya1z4(x)=b22cosπxa2---(1)得到经向和纬向纤维束的体积分数V1和V2表达式分别为V1=2∫0L1/2A11+[z1′(x)]2dx=2a1b1h1πL1∫0L1/2{L12+π2h12[cos2πxL1]2}dx---(2)V2=2∫0L2/2A21+[z2′(x)]2dx=2a2b2h2πL2∫0L2/2{L22+π2h22[cos2πxL2]2}dx---(3)由此得到理想胞体的基体体积分数的表达式为Vml=1-V1+V2V=1-V1+VL1×L2×H=1-V1+VL1×L2(b1+b2)---(4)根据冷却固化过程中组分材料：基体和纤维的收缩变形与受力状况，对胞体单元进行简化，获得简化的胞体单元模型，得简化胞体单元的基体体积分数为Vm2=4g‾1×g‾2L1×L2---(5)根据基体体积分数的等效性原则，则Vm1=Vm2????(6)式中Vm1和Vm2分别为理想胞体单元模型与简化胞体单元的基体纤维体积分数；将式(4)和(5)代入(6)化简整理得到g‾1=12H·L1L1·L2·H[L1·L2·H-V1-V2]---(7)g‾2=12H·L2L1·L2·H[L1·L2·H-V1-V2]---(8)式中符号说明如下：分别为简化模型中等效经向纱和纬向纱的间距，L1、L2分别为经向纱和纬向纱的波长，H为单层板厚度，a1、a2分别为经向纱和纬向纱截面的宽度，b1、b2分别为经向纱和纬向纱截面的高度，h1、h2为经向纱和纬向纱的高度；步骤二、根据冷却固化过程中组分材料，基体和纤维的收缩变形协调条件，分析胞体单元内的基体和纤维的受力，获得组分材料热变形与胞体单元内力之间的本构关系，从而建立平面编织复合材料单层板的热应力分析模型；平面编织复合材料热应力的产生是由于纤维和基体的热胀系数的不同而造成，根据基体应力状态，得到基体经向和纬向变形分别为um1=g‾2Em(σ1-μmσ2)-g‾2·αm·ΔT---(9)um2=g‾1Em(σ2-μmσ1)-g‾1·αm·ΔT---(10)式中，σ1和σ2分别为胞体单元即单层板经向和纬向的残余热应力；Em、μm和αm分别为基体的弹性模量、泊松比和热传导系数；△T为温度变化量；根据纤维纱平面应力状态，得到纤维纱的经向和纬向变形分别为uf1=-σ1·g‾1·(L1+2g‾2)Ef·(L2-2g‾1)-14(L1+2g‾2)·αf·ΔT+14(L1-2g‾2)·αf·ΔT---(11)uf2=-σ2·g‾2·(L2+2g‾1)2Ef&CenterDot...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：熊峻江，吕志阳，罗淋尹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：