复合材料的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料结构设计领域，特别涉及一种复合材料结构的优化设计方 法。
【背景技术】
[0002] 复合材料是轻量化工业产品的首选材料，其优良的轻质高强、抗腐蚀、耐疲劳特性 与其内部细观结构密切相关。在复合材料产品开发和应用的诸多领域中，复合材料结构设 计占着极为重要的地位。特别是在航空航天、交通运输、石油化工和环保防腐等工业中，具 有举足轻重的作用。复合材料独特的材料-结构-功能一体化特点，尤其是工艺的敏感性，决 定其结构设计要求更加全面的结构设计技术和设计理论。
[0003] 近年来数值分析技术和复合材料分析理论的发展，使得复合材料结构的设计和分 析效率显著提高，极大推动了复合材料结构的应用范围。由此带来的复合材料产品的低成 本和稳定性对其结构的材料选择、工艺方案和结构尺寸等性能需求提出了新的课题。为了 适应上述需求，在对传统的结构设计方法不断改进的同时，一些新式高效的结构设计方式 不断涌现。在面临如何使产品结构承载能力更加优良而生产成本更低的问题时，除结构的 几何尺寸、原材料性能的挑战外，复合材料结构内部的细观结构更是受到人们的重视。复合 材料材料的变形与破坏行为是由宏、细观层次下多种破坏机制相耦合而发生和发展的，宏 观偶然发生的灾难性断裂行为往往是受微细观尺度内的力学过程所制约的。
[0004] 结构设计是将材料通过设计合理的几何空间布局而实现其结构上的承载等功能， 并满足一定周期的安全服役要求。由于材料性能不同，所采用的结构形式和尺寸，以及载荷 传递路径的具体设计有很大的差别。
[0005] 传统的复合材料结构设计主要包括经验尺寸设计和实验试制等，但都存在效率较 低并且不能充分发挥复合材料轻质高强等优点等问题。经验尺寸设计存在设计人员经验积 累和工艺稳定性限制等严重缺陷；实验试制容易受生产经验影响延长产品结构设计周期， 严重增加产品成本。
[0006] 与目前大多数传统复合材料结构设计方法相比，利用数值分析技术进行复合材料 结构设计具有以下优势：1、能够从材料级别对复合材料的组合方式进行开发设计，可以确 定出性价比最优的原材料;2、能够从工艺上确定复合材料的性能确定可满足结构性能要求 的工艺方案;3、从细观上优化、确定复合材料结构的机械性能，降低材料性能测试要求;4、 能缩短产品开发周期50%以上，降低产品成本20%以上；5、提高复合材料结构的材料利用 率80%以上;6、同时提供多个结构设计方案，增加成本降低空间。
[0007] 图1所示为常规复合材料结构设计流程示意图，其中不同工艺方法制备的复合材 料性能数据均需要通过大量测试实验获得，依据测试数据确定出其各项性能如模量的平均 值和强度的特征值。
[0008] 在实验测试中，获得的测试数据仅为典型工艺制备具体铺层或单层复合材料的模 量和强度的性能数据，需要多组试样以确定其中纤维含量变化对其性能的影响。
[0009] 但是，在现有的复合材料结构设计中，通常采用的方法是：1、不考虑工艺因素对复 合材料结构局部纤维含量变化的影响；2、在结构分析中，依据实际工艺铺层参数对各个区 域结构的单元进行相应的铺层定义;3、制造实体模型进行精确计算和试验。但是这些方法 存在以下缺陷:对于数值分析来说，未考虑工艺因素变化对复合材料性能的影响，在结构分 析上需要大量的准备工作以保证分析模型与实际相符，且大大受限于结构分析效率和模型 精度，无法快速得到准确的分析结果。对于实验研究来说，虽然可以得到合理的设计结果， 但前提是需要制造出实体模型，耗时耗费均较高，并且灵活性较差。
【发明内容】
[0010] 为了克服上述缺陷，本申请的发明人进行了锐意研究。本发明提供了一种复合材 料的设计方法，尤其是提高一种复合材料结构的快速优化设计方法。该方法充分考虑材料 组分、工艺因素变化对复合材料承载性能影响的影响，充分发挥复合材料的材料潜力，并且 设计周期缩短，成本降低。
[0011] 本发明提供一种复合材料的设计方法，包括以下步骤：
[0012] a、确定拟选用的树脂基体和增强纤维的机械性能和复合方式，所述的机械性能包 括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；
[0013] b、基于复合材料的纤维含量特征值，确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响 范围：
[0014] c、采用均一化数值方法从细观上计算单层复合材料的工程弹性常数;单层复合材 料的工程弹性常数包括模量和强度；
[0015] d、基于步骤c获得的单层复合材料的工程弹性常数，根据复合材料的结构参数从 宏观上获得复合材料的层合结构的工程弹性常数;所述层合结构的工程弹性常数包括模量 和强度;所述的结构参数包括铺层角度；
[0016] e、基于步骤d获得的所述层合结构的工程弹性常数，获得复合材料的承载性能；
[0017] f、判断步骤e获得的复合材料的承载性能是否满足设计要求，并确定复合材料的 最佳工艺因素和结构参数。
[0018] 根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤f包括以下步骤:将步骤e获得的复 合材料的承载性能与设计要求的承载性能进行匹配;如果匹配，则确定复合材料的最佳工 艺因素和结构参数;否则返回步骤a。
[0019] 根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤a包括以下具体步骤：
[0020] A1、获取拟选用的树脂基体的模量，和获取拟选用的增强纤维的模量和强度；
[0021] A2、估算不同的树脂基体和增强纤维复合后形成的复合材料的模量和强度，确定 可选用的复合方式。
[0022] 根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤b包括以下具体步骤：
[0023] B1、依据实验或资料获取典型工艺制备复合材料的纤维含量特征值；
[0024] B2、根据下列公式确定工艺因素对复合材料的纤维含量的影响范围：
[0025] Ei = EmVm+EfVf,
[0026] l/E2 = Vm/Em+Vf/Ef,
[0027]式中，El表不沿纤维长度方向的弹性模量、E2表不沿垂直纤维方向的弹性模量、Em 表示树脂基体的弹性模量、vm表示树脂基体的体积含量、Ef表示增强纤维的弹性模量、Vf表 示增强纤维的体积含量。
[0028]根据本发明所述的设计方法，优选地，所述步骤c包括以下具体步骤：
[0029] C1、根据复合材料的横截面纤维的分布特点，确定出用于描述细观结构内部纤维 分布周期性单元，该单元至少包含一个纤维横截面；
[0030] C2、建立描述所述周期性单元的第一单胞三维模型，通过调整纤维直径参数反映 所代表复合材料内的纤维含量，其中单胞厚度为纤维直径1/5~1/2;
[0031] C3、采用有限元工具对所述的第一单胞三维模型进行有限网格划分，并对第一单 胞相对点、边、面的边界节点施加周期性边界条件使其符合周期性连续条件；
[0032] C4、将树脂基体和增强纤维的机械性能分别输入有限元工具，并赋予相应的单元； 所述的机械性能包括树脂基体的模量、和增强纤维的模量和强度；
[0033] C5、分别对第一单胞施加不同方向的载荷工况，分析其结构响应；
[0034] C6、依据下列公式获得第一单胞在不同加载工况下的整体刚度响应；
[0035]
[0036] 式中，&表示单胞的应力分量的平均值，下标ij表示应力方向，V为单胞的体 积，Ω为单胞内的所有单元，Vk为单胞内单元k的体积，σ f为单胞内单元k的