CN111259597B - 一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，包括：根据树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立树脂基复合材料的微观分析模型；根据均匀化理论对微观分析模型施加周期性边界条件，应用树脂固化动力学模型得到微观分析模型的固化特性，应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观分析模型力学特性；建立树脂基复合材料的宏观模型，将固化特性及力学特性作为属性赋予宏观模型；通过对树脂基复合材料的宏观模型施加边界条件，使用有限元分析法得到固化分析结果。本发明能够针对树脂基复合材料宏观结构，从细观结构出发考虑其固化特性，从本质上把握了树脂基复合材料的固化机制，从而在保证准确度的同时提高了建模与计算效率。
Description
技术领域
本发明应用于复合材料仿真领域，尤其是树脂基复合材料固化仿真领域，特别是涉及一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法。
背景技术
复合材料由两种或两种以上的材料通过物理或化学的方式混合而得到，包含基体相和增强相。树脂基复合材料成型固化是复合材料生产制造中非常关键的一个环节。在固化过程中，复合材料内部的温度场和固化度场分布不均匀，故复合材料会发生不同程度的热膨胀和固化收缩，从而引起热应力和固化收缩应力。这些内应力的存在对复合材料力学性能有着很大的影响，特别对厚板构件而言，内应力有可能导致复合材料板弯曲、基体开裂以及分层现象发生，甚至会使复合材料在固化过程中就遭到破坏。
当前复合材料成型仿真，基于复合材料宏观模型，然后通过树脂反应动力学与复合材料结构力学得到复合材料固化变形中的温度变化、固化残余应力及固化变形等。但上述方法的主要问题是其忽略了复合材料的微细观特征，缺乏对复合材料固化过程本质的认识，需要对不同的材料发展相应的唯象理论，方法的应用范围与准确度受到限制。
发明内容
本发明针对具有周期性微观结构特征的复合材料在固化过程中结构响应分析问题，提出了一种能够在进行复合材料宏观固化分析的同时考虑微观结构特征多尺度分析的方法，从而可以大大提高复合材料固化分析的准确度。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，其特点在于，其包括以下步骤：
S1、根据树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立树脂基复合材料的微观分析模型；
S2、根据均匀化理论对微观分析模型施加周期性边界条件，应用树脂固化动力学模型得到微观分析模型的固化特性，应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观分析模型力学特性；
S3、建立树脂基复合材料的宏观模型，将固化特性及力学特性作为属性赋予宏观模型；
S4、通过对宏观模型施加边界条件，使用有限元分析法得到固化分析结果。
较佳地，在步骤S1中，选取用于表征树脂基复合材料的周期性微观结构特征的代表性体积单元，根据所选取的代表性体积单元建立相应的有限元分析模型，并采用周期性网格划分方法进行网格划分以得到微观有限元分析模型。
较佳地，在步骤S2中，应用树脂固化动力学模型得到代表性体积单元中固化度和固化收缩应变，基于固化度和固化收缩应变利用结构力学模型得到复合材料微观分析模型的力学特性；
树脂固化动力学模型如下：
α为树脂的固化度，t为固化时间，T为树脂温度，Ai为指前因子，ΔEi为树脂的活化能，R为气体常数，i＝1、2或3，m、l、n为材料常数；
树脂固化收缩模型如下：
从而可得树脂的固化收缩应变为：
较佳地，树脂基复合材料包括但不限于热固性复合材料与热塑性复合材料。
较佳地，固化分析结果包含但不限于树脂基复合材料的固化过程温度、固化残余应力、固化变形。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明能够针对树脂基复合材料宏观结构，从细观结构出发考虑其固化特性，从本质上把握了树脂基复合材料的固化机制，且避免了针对整个树脂基复合材料宏观结构建立微观分析模型，从而在保证准确度的同时提高了建模与计算效率。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法的流程图。
图2为本发明较佳实施例的树脂基复合材料的代表性体积单元的示意图。
图3为本发明较佳实施例的长纤维增强的树脂基复合材料的代表性体积单元的示意图。
图4为本发明较佳实施例的网格化分后的长纤维增强的树脂基复合材料的代表性体积单元的示意图。
图5为本发明较佳实施例的长纤维增强的树脂基复合材料的微观分析模型施加周期性边界条件的示意图。
图6为本发明较佳实施例的长纤维增强的树脂基复合材料的固化分析得到的变形图。
图7为图6的右边端部的局部放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，包括以下步骤：
步骤101、根据树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立树脂基复合材料的微观分析模型。
其中，树脂基复合材料包括但不限于热固性复合材料与热塑性复合材料。
在步骤101中，选取用于表征树脂基复合材料的周期性微观结构特征的代表性体积单元(见图2)，根据所选取的代表性体积单元建立相应的有限元分析模型，并采用周期性网格划分方法进行网格划分以得到微观有限元分析模型。
例如：以长纤维增强的树脂基复合材料为例，根据长纤维增强的树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立长纤维增强的树脂基复合材料的微观结构模型，选取用于表征树脂基复合材料的周期性微观结构特征的代表性体积单元，其中深色代表纤维，浅色代表树脂(见图3)，根据所选取的代表性体积单元建立相应的有限元分析模型，并对其进行映射网格化分，如图4所示。
步骤102、根据均匀化理论对微观分析模型施加周期性边界条件，应用树脂固化动力学模型得到微观分析模型的固化特性，基于固化特性并应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观分析模型力学特性。
在步骤102中，应用树脂固化动力学模型得到代表性体积单元中固化度和固化收缩应变，基于固化度和固化收缩应变利用结构力学模型得到复合材料微观分析模型的力学特性；
树脂固化动力学模型如下：
α为树脂的固化度，t为固化时间，T为树脂温度，Ai为指前因子，ΔEi为树脂的活化能，R为气体常数，i＝1、2或3，m、l、n为材料常数；
树脂固化收缩模型如下：
从而可得树脂的固化收缩应变为：
改进之后的固化动力学模型由于加入了K2αm+K3αl，模型考虑的因素更多，使得能够更好地模拟计算出复合材料在固化过程中的固化度，模拟计算出的固化度就更精准。
改进之后的固化收缩模型由于加入了微调变量E，减小了误差，使得能够更好地模拟计算出复合材料在固化过程中的固化收缩应变，模拟计算出的固化收缩应变就更精准。
利用本发明改进的模型进行计算，能够更好地获得复合材料在固化过程中的固化度和固化收缩应变，进而获得更加精确的复合材料微观分析模型的力学特性，从而提高复合材料固化分析结果的精度。
例如：根据均匀化理论对长纤维增强的树脂基复合材料的微观分析模型施加周期性边界条件(见图5)，应用树脂固化动力学模型得到微观模型的固化特性，应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观模型力学特性。
步骤103、建立树脂基复合材料的宏观模型，将固化特性及力学特性作为属性赋予宏观模型。
步骤104、通过对宏观模型施加边界条件，使用有限元分析法得到固化分析结果。
其中，固化分析结果包含但不限于树脂基复合材料的固化过程温度、固化残余应力、固化变形。
例如：如图6所示，长纤维增强的树脂基复合材料的固化分析得到的变形图，图7为变形图的右边端部的局部放大图。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、根据树脂基复合材料的周期性微观结构特征建立树脂基复合材料的微观分析模型；
S2、根据均匀化理论对微观分析模型施加周期性边界条件，应用树脂固化动力学模型得到微观分析模型的固化特性，基于固化特性并应用树脂基复合材料的结构力学模型得到复合材料微观分析模型的力学特性；
S3、建立树脂基复合材料的宏观模型，将固化特性及力学特性作为属性赋予宏观模型；
S4、通过对宏观模型施加边界条件，使用有限元分析法得到固化分析结果；
在步骤S1中，选取用于表征树脂基复合材料的周期性微观结构特征的代表性体积单元，根据所选取的代表性体积单元建立相应的有限元分析模型，并采用周期性网格划分方法进行网格划分以得到微观有限元分析模型；
在步骤S2中，应用树脂固化动力学模型得到代表性体积单元中固化度和固化收缩应变，基于固化度和固化收缩应变利用结构力学模型得到复合材料微观分析模型的力学特性；
树脂固化动力学模型如下：
α为树脂的固化度，t为固化时间，T为树脂温度，Ai为指前因子，ΔEi为树脂的活化能，R为气体常数，i＝1、2或3，m、l、n为材料常数；
树脂固化收缩模型如下：
从而可得树脂的固化收缩应变为：
2.如权利要求1所述的树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，其特征在于，树脂基复合材料包括但不限于热固性复合材料与热塑性复合材料。
3.如权利要求1所述的树脂基复合材料多尺度耦合固化分析方法，其特征在于，固化分析结果包含但不限于树脂基复合材料的固化过程温度、固化残余应力、固化变形。
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