三維編織復合材料性能自適應單元分析方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種三維編織復合材料性能自適應單元分析方法，包括：1)定義異形截面三維編織復合材料的單元——自適應單元；2)將自適應單元等效為長方體單元；3)基于自適應單元方法的確定異形截面三維編織復合材料整體纖維體積百分含量；4)基于自適應單元方法的分析異型截面三維編織復合材料的彈性性能等步驟。本發(fā)明專利技術(shù)針對異形截面三維編織復合材料性能存在梯度提出了精確預測其性能的自適應單元及其等效方法；并提出用于數(shù)字化描述其性能的步長控制方法，即模型計算精度可通過細化不同坐標方向的步長得以提高。與傳統(tǒng)的基于單胞法的預測模型相比不僅有效解決了復雜幾何形狀三維編織復合材料性能預測問題，而且預測精度更高。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種異形三維編織材料性能的分析方法，尤其涉及一種基于細觀單元結(jié)構(gòu)的三維編織復合材料性能的自適應單元分析方法。
技術(shù)介紹
三維編織復合材料以其優(yōu)異的力學性能得到航空航天、國防和醫(yī)療等行業(yè)的廣泛關(guān)注，異形三維編織復合材料在上述領域得到了廣泛應用。但其梯度性能的有效預測、分析方法則非常少。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的任務在于提供一種異形三維編織復合材料性能的自適應單元分析方法。申請人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，異形截面三維編織復合材料的性能體現(xiàn)出明顯的梯度變化趨勢，傳統(tǒng)的數(shù)學模型無法完成其性能的定量描述。申請人通過對三維編織工藝及材料內(nèi)部細觀幾何結(jié)構(gòu)的詳細研究，提出用于一種描述三維編織復合材料梯度性能的自適應單元方法，即將用于分割三維編織復合材料的自適應六面體單元等效為長方體單元，兩種單元體積恒等，花節(jié)相等，纖維體積百分含量相同；在計算復合材料內(nèi)部確定坐標位置的力學性能時，用該單元進行自適應覆蓋，用混合法計算出單元的力學性能代表該點的力學性能，進而實現(xiàn)復合材料內(nèi)部隨坐標位置變化而變化的物理性能數(shù)字·化描述，達到預測和分析異形截面三維編織復合材料性能的目的。基于上述研究，本專利技術(shù)提出一種異形三維編織復合材料性能的自適應單元分析方法，該自適應單元方法包括描述實際三維編織復合材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的自適應單元及用于等效其結(jié)構(gòu)及性能的長方體單元。自適應單元方法描述的單元幾何結(jié)構(gòu)自適應三維編織材料的自身結(jié)構(gòu)，其體積及性能隨織物宏觀結(jié)構(gòu)變化而變化。等效長方體單元與其等效的自適應單元的紗線交叉方法相同、體積恒等，花節(jié)相等，纖維體積百分含量相同。本專利技術(shù)所述具體包括如下步驟I)定義異形截面三維編織復合材料的單元——自適應單元設維編織復合材料構(gòu)件內(nèi)部某一自適應單元在空間區(qū)域E圍成的三元函數(shù)為 f (X，y，ζ)，且函數(shù)f (X, y, ζ)在區(qū)域E上連續(xù),其體積為Uz = / / / E, f (y, z) dzdydx2)將自適應單元等效為長方體單元設異形截面三維編織復合材料的性能μ (X, y, ζ)在自適應單元內(nèi)部與相鄰單元邊界連續(xù)變化，將三維編織復合材料的自適應單元等效為長方體單元，等效方法如下2. I兩種單元的紗線交叉方法相同、體積及花節(jié)恒等，即Uz = Uc = WL δ c, δ ζ = δ c式中Uz和δ z分別表示自適應單元的體積及花節(jié)；U。和δ。分別表示等效長方體單元的體積及花節(jié)；2. 2纖維體積百分含量相同自適應單元的纖維體積百分含量Vzf = Uzf/Uz等效長方體單元的纖維體積百分含量Vc = Ucf/Uc即Vcf = Vzf式中Uzf和Ucf分別表示自適應單元和長方體單元中纖維的體積；3)基于自適應單元方法的確定異形截面三維編織復合材料整體纖維體積百分含3. I定義異形截面三維編織復合材料的三維坐標點并進行數(shù)字化描述，用i (a，b， c,...)來標識需要描述的織物內(nèi)部的坐標點,每個坐標點分別對應一個用于覆蓋該坐標點的自適應單元，并對應一個等效長方體單元，前述對應坐標點的等效長方體單元用j (1，2，3,...)來標識；3. 2根據(jù)精度需要來確定步長，步長越小，性能描述的精度越高，在織物內(nèi)部不同坐標方向分別有三個步長Sx、Sy和Sz ；3. 3計算異形截面三維編織復合材料坐標點纖維體積百分含量Vi = Ufajj0ZUijjX 100%式中Uf^j)表示坐標點i(a，b，c，...)處第j(l，2，3，···)個等效長方體單元中纖維的體積·Α,」表示坐標點i (a，b，C，...)處第j (1，2，3，...)個等效長方體單元中的體積。4)基于自適應單元方法的分析異型截面三維編織復合材料的彈性性能4. I將用于描述異型截面三維編織復合材料的自適應單元用相應的長方體單元等效，單元中有n(i = l，2，...，n)根紗線，設等效單元中不同傾斜狀態(tài)紗線的正軸剛度陣為 f(i)，其計算公式為 (j) = f ⑴式中為哈密爾頓應力轉(zhuǎn)換矩陣，決定于紗線的傾斜狀態(tài)；τ為矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。4. 2設織物內(nèi)部某坐標位置點(X，y, ζ)的等效長方體單元體積為U(x, y, z)，單元中第i根紗線的體積為Uf,i，則該紗線占等效單元的體積白分數(shù)為Vf ⑴=UfVU(Wz)XlOO^4. 3設基體的剛度矩陣為m，則異型截面三維編織復合材料確定坐標位置點(X， 1，ζ)等效長方體局部剛度矩陣表達式為權(quán)利要求1.，其特征在于包括如下步驟1)定義異形截面三維編織復合材料的單元——自適應單元設維編織復合材料構(gòu)件內(nèi)部某一自適應單元在空間區(qū)域E圍成的三元函數(shù)為f (X，Y, Z),且函數(shù)f (X, y, Z)在區(qū)域E上連續(xù),其體積為Uz = / f f Ef (x, y, z) dzdydx2)將自適應單元等效為長方體單元設異形截面三維編織復合材料的性能μ U，1，ζ)在自適應單元內(nèi)部與相鄰單元邊界連續(xù)變化，將三維編織復合材料的自適應單元等效為長方體單元，等效方法如下·2.I兩種單元的紗線交叉方法相同、體積及花節(jié)恒等，即Uz = Uc = WL δ c, δ ζ = δ c式中Uz和δ z分別表示自適應單元的體積及花節(jié)；U。和δ。分別表示等效長方體單元的體積及花節(jié)；·2.2纖維體積百分含量相同自適應單元的纖維體積百分含量Vzf = uzf/uz等效長方體單元的纖維體積百分含量Vc = Ucf/Uc即 VCf = Vzf式中Uxf和Ucf分別表示自適應單元和長方體單元中纖維的體積；·3)基于自適應單元方法的確定異形截面三維編織復合材料整體纖維體積百分含量·3.I定義異形截面三維編織復合材料的三維坐標點并進行數(shù)字化描述，用i(a，b， c,...)來標識需要描述的織物內(nèi)部的坐標點,每個坐標點分別對應一個用于覆蓋該坐標點的自適應單元，并對應一個等效長方體單元，前述對應坐標點的等效長方體單元用j (1,2, 3,...)來標識；·3.2根據(jù)精度需要來確定步長，步長越小，性能描述的精度越高，在織物內(nèi)部不同坐標方向分別有三個步長Sx、Sy和Sz ；·3.3計算異形截面三維編織復合材料坐標點纖維體積百分含量Vi = Uf(i,^Ui,J X 100%式中Uf(i,」)表示坐標點i(a，b，C，...)處第j(l，2，3，...)個等效長方體單元中纖維的體積表示坐標點i (a，b，C，...)處第j (1，2，3，...)個等效長方體單元中的體積。·4)基于自適應單元方法的分析異型截面三維編織復合材料的彈性性能·4.I將用于描述異型截面三維編織復合材料的自適應單元用相應的長方體單元等效， 單元中有n(i = 1,2,...,η)根紗線，設等效單元中不同傾斜狀態(tài)紗線的正軸剛度陣為 f(i)，其計算公式為f ⑴= f (j) 式中為哈密爾頓應力轉(zhuǎn)換矩陣，決定于紗線的傾斜狀態(tài)；τ為矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。·4.2設織物內(nèi)部某坐標位置點(X，y, ζ)的等效長方體單元體積為U(x,y,z)，單元中第i 根紗線的體積為Uf, i，則該紗線占等效單元的體積白分數(shù)為Vf ⑴=Κ,Ζ)Χ100%.4.3設基體的剛度矩陣為m，則異型截面三維編織復合材料確定坐標位置點(x，y，z) 等效長方體局部剛度矩陣表達式為全文摘要本專利技術(shù)涉及一種，包括1)定義異形截面三維編織復合材料的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
三維編織復合材料性能自適應單元分析方法，其特征在于包括如下步驟：1)定義異形截面三維編織復合材料的單元——自適應單元：設維編織復合材料構(gòu)件內(nèi)部某一自適應單元在空間區(qū)域E圍成的三元函數(shù)為f(x，y，z)，且函數(shù)f(x，y，z)在區(qū)域E上連續(xù)，其體積為：Uz＝∫∫∫Ef(x，y，z)dzdydx2)將自適應單元等效為長方體單元：設異形截面三維編織復合材料的性能μ(x，y，z)在自適應單元內(nèi)部與相鄰單元邊界連續(xù)變化，將三維編織復合材料的自適應單元等效為長方體單元，等效方法如下：2.1兩種單元的紗線交叉方法相同、體積及花節(jié)恒等，即Uz≡Uc＝WLδc，δz＝δc式中Uz和δz分別表示自適應單元的體積及花節(jié)；Uc和δc分別表示等效長方體單元的體積及花節(jié)；2.2纖維體積百分含量相同自適應單元的纖維體積百分含量Vzf＝Uzf/Uz等效長方體單元的纖維體積百分含量Vc＝Ucf/Uc即Vcf＝Vzf式中Uxf和Ucf分別表示自適應單元和長方體單元中纖維的體積；3)基于自適應單元方法的確定異形截面三維編織復合材料整體纖維體積百分含量：3.1定義異形截面三維編織復合材料的三維坐標點并進行數(shù)字化描述，用i(a，b，c，...)來標識需要描述的織物內(nèi)部的坐標點，每個坐標點分別對應一個用于覆蓋該坐標點的自適應單元，并對應一個等效長方體單元，前述對應坐標點的等效長方體單元用j(1，2，3，...)來標識；3.2根據(jù)精度需要來確定步長，步長越小，性能描述的精度越高，在織物內(nèi)部不同坐 標方向分別有三個步長Sx、Sy和Sz；3.3計算異形截面三維編織復合材料坐標點纖維體積百分含量：Vi＝Uf(i，j)/Ui，j？×100％式中Uf(i，j)表示坐標點i(a，b，c，...)處第j(1，2，3，...)個等效長方體單元中纖維的體積；Ui，j表示坐標點i(a，b，c，...)處第j(1，2，3，...)個等效長方體單元中的體積。4)基于自適應單元方法的分析異型截面三維編織復合材料的彈性性能：4.1將用于描述異型截面三維編織復合材料的自適應單元用相應的長方體單元等效，單元中有n(i＝1，2，...，n)根紗線，設等效單元中不同傾斜狀態(tài)紗線的正軸剛度陣為[C]f(i)，其計算公式為：[C′]f(i)＝[A][C]f(j)[A]T式中[A]為哈密爾頓應力轉(zhuǎn)換矩陣，決定于紗線的傾斜狀態(tài)；[A]T為矩陣[A]的轉(zhuǎn)置矩陣。4.2設織物內(nèi)部某坐標位置點(x，y，z)的等效長方體單元體積為U(x，y，z)，單元中第i根紗線的體積為Uf，i，則該紗線占等效單元的體積白分數(shù)為Vf(i)＝Uf，i/U(x，y，z)×100％4.3設基體的剛度矩陣為[C]m，則異型截面三維編織復合材料確定坐標位置點(x，y，z)等效長方體局部剛度矩陣表達式為：[C](x,y,z)=ΣinVf(i)[C′]f(i)+Vm[C]m=Σi=1n[A][C]f(i)[A]Tvf(i)+Vm[C]m該局部剛度矩陣表達式用于表達確定坐標位置的剛度，式中Vm為基體體積百分數(shù)。4.4確定坐標位置點(x，y，z)復合材料柔度矩陣為：[S](x,y,z)=[C](x,y,z)-14.5異形截面三維編織復合材料的某坐標位置(x，y，z)各項彈性系數(shù)函數(shù)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表示在復合材料內(nèi)部點(x，y，z)不同坐標方向的拉伸彈性模量；上述Gxy，Gyz及Gzx表示在復合材料內(nèi)部點(x，y，z)不同坐標方向的剪切彈性模量；上述vxy，vyz及vzx表示在復合材料內(nèi)部點(x，y，z)不同坐標方向的泊松比。上述S11、S22、S33、S44、S55、S66可以用Sij來指代，其表示的是[S](x，y，z)中第i行第j列的矩陣元素，其中i表示的是矩陳S的行數(shù)，j表示的是矩陳S的列數(shù)。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱建勛，馬文鎖，李天興，唐亦囡，
申請(專利權(quán))人：中材科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：