针刺预制体单胞的有限元建模方法与流程

本发明涉及针刺预制体的建模技术，具体涉及基于针刺工艺参数的有限元建模方法。
背景技术：
：针刺技术是一种预纤维制体制备工艺，可以通过刺针将纤维复合料铺层中的面内纤维引入到厚度方向、形成垂直分布的针刺纤维束，使各纤维铺层紧密结合，加强预制体的层间力学性能。纤维复合料主要包括碳纤维布和网胎，其中碳纤维布保证了预制体在铺层平面内具有较高的纤维体积含量，网胎为层间纤维的主要来源。针刺预制体作为一种独特的三维网状结构，具有纤维分布均匀、易于致密化成型等特点。针刺技术克服了二维纤维结构层间性能弱的缺点，与编织、机织和针织等传统纺织技术相比具有工艺简单、成本低和性价比高的优点，目前已经在众多预制体制备工艺中占据重要市场地位。针刺工艺参数众多、参数可调范围大，通过调整针刺工艺方案可以制备出不同形状、不同尺寸的碳纤维针刺织物，包括块状、板状、筒状、锥形和复杂曲面形纤维预制体等。改变针刺参数还可以方便、灵活地得到不同针刺密度、针刺深度，甚至变截面、变密度的纤维织物，体现出针刺工艺很好的可设计性。以针刺碳纤维预制体为增强骨架可以制备各种高性能的针刺c/c和c/c-sic复合材料，针刺复合材料以其优异的力学性能和热物理性能广泛应用于航空航天领域，如飞机刹车盘、固体火箭发动机出口喷管、喉衬和各种形状的热防护部件等。在许多民用领域针刺复合材料也有着广阔的应用空间，如各种防隔热结构、工业高温炉具和耐热坩埚等。预制体的纤维结构对复合材料的力学性能有着决定性影响，从细观尺度对复合材料建模分析，是研究材料有效力学性能和损伤过程的有效手段。这一过程需要对复合材料的纤维结构进行细致的观测和分析，根据纤维结构建立代表体积单元，然后利用组分材料的性能得到复合材料的整体力学性能。目前，针对编织、机织和针织等传统纺织复合材料建立的细观分析模型已经比较成熟，人们可以根据纤维束尺寸、编织角度等细观结构参数建立代表体积单元，研究复合材料的力学性能和损伤行为。但是，针刺工艺本身的特点导致针刺预制体纤维结构十分复杂，而针刺预制体的纤维结构与针刺密度、深度及布针形式等工艺参数直接相关。一方面，经过反复针刺，预制体内的针刺孔密集、无序，而且许多位置被重复针刺；另一方面，针刺区域的碳纤维受到一定程度的损伤，在针刺孔内可以观察到明显的纤维断裂、偏转和迁移，被针刺后纤维的几何形态难于描述。在宏观尺度下，针刺预制体是一种针刺孔均匀、无序排布的网状结构，但在微细观尺度下，局部针刺部位的纤维结构十分复杂、具有一定的不确定性。因此，基于形貌观测结果建立针刺复合材料的代表体积单元是非常困难的，到目前为止还没有细观分析模型能够描述针刺复合材料的纤维结构、预报材料的力学性能，而且基于针刺预制体细观结构的材料损伤及失效分析工作也未见报道。技术实现要素：本发明的目的是为了满足针刺复合材料的力学性能、损伤及失效的分析需求，从而提供针刺预制体单胞的有限元建模方法。本发明所述的针刺预制体单胞的有限元建模方法，包括以下步骤：步骤一、扫描针刺预制体的纤维结构，得到显微图像，对显微图像中的各针刺区域进行测量和求平均，获得针刺区域的平均半径r；步骤二、根据针刺预制体对应的针板得到针板植针参数；步骤三、根据显微图像，确定针刺预制体的纤维复合料铺层的铺设顺序及每一铺层的厚度参数；步骤四、根据显微图像，确定针刺工艺参数；步骤五、根据步骤二和步骤三得到的参数计算预制体单胞的尺寸，根据步骤二和步骤四得到的参数计算每一铺层的针刺孔的坐标位置；步骤六、将步骤五中每一铺层的针刺孔的坐标位置投射到z＝0的平面上，结合预制体单胞的尺寸，在每个针刺孔处建立步骤一中平均半径大小的针刺区域二维几何模型，进而获得预制体单胞二维几何模型；z轴垂直于铺层；步骤七、通过步骤六中生成的预制体单胞二维几何模型生成二维网格单元，结合每一铺层的厚度及针刺工艺参数中的针刺深度，由二维网格单元生成三维实体单元，识别相同铺层及不同铺层内针刺区域的重叠情况，赋予相应的性能参数，并为单胞的非针刺区域赋予相应的性能参数，得到针刺预制体单胞的有限元模型。优选的是，所述步骤二得到的针板植针参数包括相邻两排刺针的间距l1和同一排内相邻刺针的间距l2；步骤五中，根据步骤二和步骤三得到的参数计算预制体单胞的尺寸的方法为：根据步骤二得到的l1和l2得到预制体表面针孔的最小周期性排布范围lu×lu，其中lu为l1和l2的最小公倍数；根据步骤三得到的每一铺层的厚度参数，得到预制体单胞总厚度lt；预制体单胞的尺寸为lu×lu×lt。优选的是，所述步骤四得到的针刺工艺参数为针板与预制体的相对位置(xij,yij)；步骤五中，根据步骤二和步骤四得到的参数计算每一铺层的针刺孔的坐标位置的方法为：根据步骤二得到的l1和l2，及步骤四的针板与预制体的相对位置(xij,yij)计算每一铺层的针刺孔的坐标(xijk，yijk，zijk)；xij,yij分别为第i铺层、第j次针刺的x轴和y轴坐标；xijk，yijk，zijk分别为第i铺层、第j次针刺、第k个针刺孔的x轴、y轴、z轴坐标；针板与预制体的相对位置(xij,yij)即开始针刺时，与坐标原点离最近的针刺孔坐标位置。优选的是，所述步骤七中，根据步骤一得到的针刺区域的平均半径r、步骤四得到的针刺工艺参数中的针刺深度及步骤五得到的每一铺层的针刺孔的坐标，判断该针刺区域是否与其他针刺区域重叠。优选的是，所述判断该针刺区域是否与其他针刺区域重叠的方法为：对于处于同一纤维复合料铺层的两个针刺区域，针刺孔的坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xilm，yilm，zilm)，两个针刺孔距离为d为：如果d<2r，那么判定这两个针刺区域为重叠针刺区域，否则为单独针刺区域；对于处于不同纤维复合料铺层的两个针刺区域，针刺孔的坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xlmn，ylmn，zlmn)，第i铺层位于第l铺层之上，两个针刺孔平面投影距离为d′为：两个针刺区域z向距离为d″d″＝|zijk-zlmn|-di(5)如果d′<2r，而且d″＜0，那么判定这两个针刺区域为重叠针刺区域，否则为单独针刺区域，di为第i铺层的针刺深度。本发明可以根据任意针刺工艺方案得到相应的预制体有限元模型，建立针刺工艺与预制体纤维结构之间的关联关系。通过输入各项工艺参数建立预制体单胞模型，可以方便的输出各铺层内针刺孔的数量、针刺区域相对距离、单独针刺区域和重复针刺区域体积含量等量化信息，直观的反映针刺孔在不同位置的排布密度、均匀性等情况。本发明可以作为针刺工艺方案的优选及设计的重要辅助手段，以此为基础可进一步研究相邻针刺部位的彼此相互影响情况。按照针刺区域的分布位置，将有限元模型分为单独针刺区域、重复针刺区域和非针刺区域，对不同的区域赋予相应的材料属性(包括弹性性能和热物理性能参数)，从而可以分析针刺复合材料的有效力学性能和失效损伤过程。附图说明图1是针刺预制体成型过程示意图；1为针板，2为针刺孔，3为第i层纤维复合料，4为针刺区域；图2是针板的结构示意图；5是刺针，6为倒向钩刺，图中虚线框为一个布针单胞；图3是针刺预制体表面的针刺孔排布示意图；7为针刺预制体；图4是预制针刺一次，进行旋转，再针刺一次后的针刺孔排布示意图；图5是针刺预制体的各铺层中针刺孔排布示意图；图6是图5的各铺层中针刺孔投射到z＝0的平面上的针刺孔排布示意图；图7是圆柱形针刺区域的示意图；图8是同一复合料铺层中的两个针刺区域的示意图；图9是不同复合料铺层中的两个针刺区域的示意图；图10是针刺预制体单胞的有限元模型；图11是针刺预制体单胞的针刺区域分布位置示意图。具体实施方式具体实施方式：结合图1至图11具体说明本实施方式，本实施方式所述的针刺预制体单胞的有限元建模方法，包括以下步骤：步骤一、扫描针刺预制体的纤维结构，得到显微图像，对显微图像中的各针刺区域进行测量和求平均，获得针刺区域的平均半径r；步骤二、根据针刺预制体对应的针板得到针板植针参数；步骤三、根据显微图像，确定针刺预制体的纤维复合料铺层的铺设顺序及每一铺层的厚度参数；步骤四、根据显微图像，确定针刺工艺参数；步骤五、根据步骤二和步骤三得到的参数计算预制体单胞的尺寸，根据步骤二和步骤四得到的参数计算每一铺层的针刺孔的坐标位置；步骤六、将步骤五中每一铺层的针刺孔的坐标位置投射到z＝0的平面上，结合预制体单胞的尺寸，在每个针刺孔处建立步骤一中平均半径大小的针刺区域二维几何模型，进而获得预制体单胞二维几何模型；z轴垂直于铺层；步骤七、通过步骤六中生成的预制体单胞二维几何模型生成二维网格单元，结合每一铺层的厚度及针刺工艺参数中的针刺深度，由二维网格单元生成三维实体单元，识别相同铺层及不同铺层内针刺区域的重叠情况，赋予相应的性能参数，并为单胞的非针刺区域赋予相应的性能参数，得到针刺预制体单胞的有限元模型。本实施方式中，步骤二得到的针板植针参数包括相邻两排刺针的间距l1和同一排内相邻刺针的间距l2；步骤五中，根据步骤二和步骤三得到的参数计算预制体单胞的尺寸的方法为：根据步骤二得到的l1和l2得到预制体表面针孔的最小周期性排布范围lu×lu，其中lu为l1和l2的最小公倍数；根据步骤三得到的每一铺层的厚度参数，得到预制体单胞总厚度lt；预制体单胞的尺寸为lu×lu×lt。本实施方式中，步骤四得到的针刺工艺参数为针板与预制体的相对位置(xij,yij)；步骤五中，根据步骤二和步骤四得到的参数计算每一铺层的针刺孔的坐标位置的方法为：根据步骤二得到的l1和l2，及步骤四的针板与预制体的相对位置(xij,yij)计算每一铺层的针刺孔的坐标(xijk，yijk，zijk)；xij,yij分别为第i铺层、第j次针刺的x轴和y轴坐标；xijk，yijk，zijk分别为第i铺层、第j次针刺、第k个针刺孔的x轴、y轴、z轴坐标；针板与预制体的相对位置(xij,yij)即开始针刺时，与坐标原点离最近的针刺孔坐标位置。本实施方式中，步骤七中，根据步骤一得到的针刺区域的平均半径r、步骤四得到的针刺工艺参数中的针刺深度及步骤五得到的每一铺层的针刺孔的坐标，判断该针刺区域是否与其他针刺区域重叠。本实施方式中，判断该针刺区域是否与其他针刺区域重叠的方法为：对于处于同一纤维复合料铺层的两个针刺区域，针刺孔的坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xilm，yilm，zilm)，两个针刺孔距离为d为：如果d<2r，那么判定这两个针刺区域为重叠针刺区域，否则为单独针刺区域；对于处于不同纤维复合料铺层的两个针刺区域，针刺孔的坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xlmn，ylmn，zlmn)，第i铺层位于第l铺层之上，两个针刺孔平面投影距离为d′为：两个针刺区域z向距离为d″d″＝|zijk-zlmn|-di(5)如果d′<2r，而且d″＜0，那么判定这两个针刺区域为重叠针刺区域，否则为单独针刺区域，di为第i铺层的针刺深度。具体实施例：步骤一、通过扫面电镜sem对针刺预制体进行扫描观测，通过显微图片测量针刺孔的尺寸。预制体内的针刺孔是在针刺过程中形成的。刺针上分布着倒向钩刺，刺针刺入铺层后许多面内纤维向厚度方向偏转、迁移甚至发生折断，当刺针拔出后，预制体上留下针刺孔。由于网胎复合料中短切纤维随机排布，而且纤维断裂伸长率存在不确定性，不同针刺孔的尺寸和纤维结构互不相同。定义针刺孔附近面内纤维发生偏转、迁移或折断的区域为针刺区域。对针刺预制体表面进行观测，发现针刺区域大致呈圆形；对针刺复合材料进行切片观测，发现针刺区域内面内纤维呈倒“人”字形。通过对大量的观测图像进行测量和统计得到针刺区域平均半径为r(mm)。在本实施方式中，将针刺区域简化为半径为r的圆柱形区域；步骤二、根据针板，确定针板上刺针的植针参数。刺针按照一定的间距成排的安装在针板上，如图2所示。针板宽度为wp(cm)，相邻两排刺针的间距为l1(cm)，同一排内相邻刺针的间距为l2(cm)，根据上述尺寸可以得到针板上刺针的最小周期性排布范围；步骤三、根据显微图片，确定针刺预制体的铺设参数。针刺预制体的成型过程中首先要将复合料按照0°无维布、网胎和90°无维布的顺序叠加在一起。每铺设一定厚度的复合料，在预制体表面针刺若干次，然后继续铺设复合料、继续针刺，循环往复进行，直到预制体达到预定的厚度和针刺密度。沿复合料长纤维方向建立o-xyz坐标系，0°和90°纤维方向分别对应x方向和y方向，厚度方向对应z方向，定义第i层纤维复合料铺层厚度为ti(cm)，如图1所示。步骤四、根据显微图片，确定针刺工艺参数，结合针刺工艺参数得到针刺预制体的单胞尺寸并计算单胞内部针刺区域的空间分布位置。建模过程中需要确定的针刺工艺参数如下：(1)步进量s(cm)，表示每针刺一次，纤维复合料前进的距离：其中v(cm/min)为出布速度，f(针/min)为针刺频率；(2)针刺次数ni，为铺设第i铺层纤维复合料后的针刺次数(复合料从针板下方通过一次表示针刺一次)；(3)针刺密度dn(针/cm2)，表示预制体中单位面积针刺孔数量：dn＝mp∑ni(2)其中mp(针/cm2)为植针密度，表示针板上单位面积上安装的刺针的数量；(4)第i层第i铺层的针刺深度di(cm)，如图1所示；(5)开始针刺时，针板与预制体的相对位置(xij,yij)，即开始针刺时与坐标原点离最近的针刺孔坐标位置，其中i表示第i铺层，j表示第j次针刺，如图3所示。步骤五、根据步骤二、步骤三和步骤四中的工艺参数计算得到预制体最小周期性单胞尺寸。针刺过程中，为了保证预制体x方向和y方向针孔排布的均匀性，每针刺一次后都要将预制体在x-y面内旋转90°，然后继续针刺。由于刺针按照一定的间距成排的安装在针板上，因此经过往复针刺后预制体表面的针孔排呈周期性排布。根据针板上的植针间距l1和l2计算得到预制体表面针孔的最小周期性排布范围为lu×lu(cm2)，其中lu为l1和l2的最小公倍数。进一步，根据预制体总厚度lt(lt＝σti)确定预制体单胞尺寸为lu×lu×lt(cm3)，ti为第i铺层的厚度。根据植针间距l1、l2和针板与预制体的相对位置(xij,yij)推算得到每一铺层中针刺孔的坐标(xijk，yijk，zijk)，其中i表示第i铺层，j表示第j次针刺，k表示第k个针刺孔，如图5所示(图中以三层复合料组成的针刺预制体为例加以说明)；步骤六、将每一铺层中针刺孔坐标位置投射到z＝0的平面上，通过python语言在有限元软件abaqus中建立预制体单胞和针刺区域的二维几何模型，如图6所示。预制体表面针孔的最小周期性排布范围lu×lu，针刺区域几何模型半径为r；步骤七、对步骤六中的二维几何模型进行网格划分生成二维网格单元，网格单元类型采用3节点壳单元(即二维s3单元)。利用abaqus中的“generatemeshbyoffset”命令，以二维单元为基础，经过拉伸生成三维实体单元(即c3d6单元)，拉伸总厚度为预制体的总厚度lt。根据每一铺层的针刺孔的坐标(xijk，yijk，zijk)、针刺区域半径r和针刺深度di，利用abaqus中的“getbyboundingcylinder”命令选取不同铺层中各针刺区域的单元并建立单元集合。以第i铺层、第j次针刺形成的第k个针刺孔为例进行说明，该针刺区域包含图7所示圆柱体范围内的所有单元，圆柱体半径为r，高度为di，上下圆心坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xijk，yijk，zijk-di)。根据针刺区域的位置坐标即针刺孔的坐标判断相邻针刺区域是否重合，如果不重合，判定该针刺区域为单独针刺区域；如果重合，判定该针刺区域为重复针刺区域；判定任意两个针刺区域是否重复具体按照如下方法分两种情况进行：(1)对于处于同一复合料铺层中的两个针刺区域，针孔坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xilm，yilm，zlmn)，两个针刺孔距离为d如果d<2r，那么判定这两个针刺区域为重复针刺区域，如图8所示，否则为单独针刺区域；(2)对于不同复合料铺层中的两个针刺区域，针孔坐标分别为(xijk，yijk，zijk)和(xlmn，ylmn，zlmn)，两个针刺孔平面投影距离为d′针刺区域z向距离为d″d″＝|zijk-zlmn|-di(5)如果d′<2r，而且d″<0，那么判定这两个针刺区域为重复针刺区域，如图9所示，否则为单独针刺区域；按照本发明可以建立任意工艺参数的针刺预制体单胞有限元模型。以三层复合料叠加而成的针刺预制体为例进行说明，预制体成型工艺参数如表1和表2所示，表2坐标的单位为mm：表1针刺预制体成型工艺参数参数l1l2swprt1数值0.5cm0.6cm1.5cm1.5cm0.6mm0.3cm参数t2t3d1d2d3数值0.3cm0.3cm0.3cm0.6cm0.6cm表2针刺过程中针板与预制体的相对位置坐标第一层(x11，y11)＝(00)(x12，y12)＝(3，0)第二层(x21,y21)＝(0,4)(x22,y22)＝(3,4)第三层(x31,y31)＝(0,8)(x32,y32)＝(3,8)最后，针刺预制体单胞有限元模型被划分为三部分：非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域，如图10和11所示。通过python语言自动计算有限元模型中各区域的体积分数，对不同区域赋予相应的性能参数，可以计算单胞的等效力学性能和失效过程等。本实施方式利用sem扫描图像对针刺预制体进行大量的显微观测，通过统计的方法得到针刺区域的平均半径，在建模过程中将针刺部位简化为圆柱体区域。有限元模型中的针刺区域尺寸能够代表材料内针刺部位实际尺寸的平均值。本实施方式基于实际针刺预制体成型工艺参数进行建模，通过数值方法准确的模拟了预制体的成型过程，所得到单胞模型中针刺区域的空间排布位置与实际材料中针刺部位的分布规律相一致。本实施方式通过调整建模参数可以得到不同工艺参数针刺预制体的有限元单胞模型：通过调整每一铺层复合料的针刺次数可以实现单胞内不同的针刺密度、甚至不同铺层变密度的针刺孔排布；调整每次针刺时针板与复合料铺层之间的相对位置可以模拟针孔在预制体内不同的排布形式，即不同“针迹”，模拟单胞内针刺区域的均匀、分散排布或集中排布等不同情况；调整复针刺深度可以实现针刺区域在单胞模型厚度方向不同的排布形式，实现刺针对复合料铺层部分刺穿和完全刺穿等不同情况的模拟。当前第1页12