[发明专利]投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及混杂增强复合材料有限元建模领域，尤其涉及一种投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法。

背景技术

混杂增强复合材料，是指两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的复合材料。树脂基体有环氧树脂、双马树脂和热塑性树脂等；增强纤维有玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉纤维等的组合。混杂纤维复合材料可以根据结构使用性能要求，通过不同类型纤维、不同纤维的相对含量、不同的混杂方式进行设计，以满足对复合材料结构和功能兼备的要求。

目前混杂增强复合材料的有限元建模中，对纤维的模拟，可采用实体单元、壳单元、杆单元（或梁单元）。采用前两者单元，会大大增加单元的数量，特别是在纤维数量比较多时，计算成本比较大。而采用杆单元（或梁单元）模拟时，纤维单元和基体单元（实体单元）之间的耦合是一个需要解决的问题。

对于双向混杂增强复合材料的有限元建模，无论纤维采取何种单元，该单元与实体单元（即基体单元）之间的耦合都难以实现。采用实体单元或壳单元模拟，网格剖分复杂，计算量巨大。采用杆单元（或梁单元）模拟，同样存在网格难以剖分、自由度难以耦合的困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种建模简单、易于实现、同时可大大降低计算量、节省计算成本的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法。

为实现本发明的目的，通过下述技术方案实现：

一种投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，包括如下步骤：

（1）根据计算所需的精度要求，确定基体有限元模型的规模；

（2）采用MSC.PATRAN或HYPERMESH软件，选取solid单元对基体进行网格剖分，得到基体有限元模型，提取基体有限元模型各节点的位置坐标（x，y，z）；

（3）根据y方向上纤维1在基体中的体积含量、长度和直径，求出其纤维1根数n₁，通过随机分布，将纤维1随机投放到xz平面的基体节点上，

所述随机分布的要求为：a、若纤维1长度小于基体在y方向上的长度，并且两根纤维1长度之和大于或等于基体在y方向上的长度，此时要xz平面的基体节点数与n₁相等，则不让任何两根纤维1投放到基体xz平面上的同一节点上；b、若两根或多根纤维1长度之和小于基体沿y方向上的长度，则对应基体xz平面一个节点沿y方向上的纤维数量可能大于1，因而此时n₁>xz平面的基体节点数，则两根或多根纤维1投放到基体xz平面上同一个节点并沿y向分布，但要保证该节点沿y方向上的纤维1，任何2根之间的最小距离大于0；

（4）根据x方向上纤维2在基体中的体积含量、长度和直径，求出其纤维2根数n₂，通过随机分布，将纤维2随机投放到yz平面的基体节点上；实现随机投放于x方向上的纤维可以与y方向的纤维是同一种，也可是不同种纤维；

所述随机分布的要求为：a、若纤维2长度小于基体在x方向上的长度，并且两根纤维2长度之和大于或等于基体在x方向上的长度，此时要yz平面的基体节点数与n₂相等，则不让任何两根纤维2投放到基体yz平面上的同一节点上；b、若两根或多根纤维2长度之和小于基体沿x方向上的长度，则对应基体yz平面一个节点沿x方向上的纤维数量可能大于1，因而此时n₂>yz平面的基体节点数，则两根或多根纤维2投放到基体yz平面上同一个节点并沿x向分布，但要保证该节点沿x方向上的纤维2，任何2根之间的最小距离大于0；

（5）采用MSC.PATRAN或HYPERMESH软件，选取beam单元对纤维1和纤维2进行网格剖分；

（6）对基体、纤维1和纤维2进行几何尺寸和材料参数的赋值，即可获得双向混杂增强复合材料有限元模型。

作为进一步的说明，以上所述纤维1根数n₁的计算方程式为式中，V_f1为纤维1的体积，单位nm³；r_f1为纤维1的半径，单位nm；l_f1为纤维1的长度，单位nm。

作为进一步的说明，以上所述纤维2根数n₂的计算方程式为式中，V_f21为纤维2的体积，单位nm³；r_f2为纤维2的半径，单位nm；l_f2为纤维2的长度，单位nm。