[发明专利]一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，具体包括如下过程：步骤1，建立复合材料宏观多场耦合计算模型；步骤2，赋予宏观多场耦合计算模型初始值和计算边界条件；步骤3，对步骤1中建立的模型进行网格划分，并对模型进行有限元求解；步骤4，根据步骤3所得结果计算细观固化残余应力模型中树脂材料本构模型的热力学参数；步骤5，采用代表性体积单元建立包含单根纤维和树脂基体的RVE模型，将步骤4所得的热力学参数作为输入参数，进行细观固化残余应力模型的有限元计算，完成固化残余应力的多尺度模拟。本发明通过将多场耦合理论和多尺度模拟相结合的方法，使得复合材料细观残余应力的预测更加准确。

技术领域

本发明属于复合材料设计制造技术领域，涉及一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法。

背景技术

复合材料因具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳以及可设计性强等优点，已在航空、航天、船舶、兵器、建筑以及医疗等领域得到广泛应用。目前，国内企业主要采用热压罐成型工艺来制备复合材料构件。在热压罐成型过程中，复合材料构件要经历高温、高压等过程，由于材料自身的各向异性、树脂基体的化学收缩反应以及模具作用等因素，复合材料内部会产生固化残余应力，严重影响构件的后续使用及装配连接。

固化残余应力可以分为宏观残余应力和细观残余应力两类。宏观残余应力是形成于复合材料的铺层与铺层之间的残余应力，会导致复合材料脱模后产生回弹变形；细观残余应力是指形成在树脂、纤维以及树脂和纤维界面间的残余应力，易导致基体或界面相产生微裂纹，进而引发初始损伤，严重影响复合材料力学性能。

对于复合材料而言，其是由两种或两种以上的具有不同物理、化学性质的材料，通过细观、介观以及宏观等不同结构尺度与层次组合，经过高温、高压的方式固化而成。这种多尺度(细观-宏观)、多相(增强相、基体相及层间相)的材料特点以及多场耦合(温度、固化度、粘度、纤维体积分数及应力等参量)的成型特点，使得细观固化残余应力的求解变得十分复杂。现有对细观固化残余应力的研究多是采用采用单根纤维进行解析建模计算，或是选取数根纤维建立RVE模型进行有限元仿真计算，忽略了复合材料构件整体尺寸以及树脂流动的影响。因此，现有的数值模拟方法所计算得到的细观残余应力与实际结果存在较大误差，结果可靠性不高。

Safarabadi M在2016论文《Evaluation of curing residual stresses inthree-phase thin composite laminates considering micro-scale effects》中利用经典层合板理论和能量法建立了考虑纤维-基体界面相的细观残余应力计算模型，模型虽然进行了纤维体积分数对固化残余应力的影响分析，但对于如何计算纤维体积分数却并没有给出，并且模型中并没有考虑层合板整体结构尺寸的影响。

Dongna Li在2017年的论文《A comparison of curing process-inducedresidual stresses and cure shrinkage in micro-scale composite structures withdifferent constitutive laws》中，针对复合材料本构模型对细观固化残余应力的影响进行了研究，但模型中并没有考虑树脂流动以及层合板厚度尺寸的影响。

细观固化残余应力极易导致复合材料构件内部出现微裂纹等问题，严重影响其成型质量及后续使用性能，如何准确预测细观固化残余应力的发展规律至关重要。因此，在利用数值模拟方法计算细观固化残余应力时，需要考虑层合板宏观结构尺寸及树脂流动的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，该方法基于宏观与细观相结合的思想，通过将多场耦合理论和多尺度模拟相结合的方法，使得复合材料细观残余应力的预测更加准确。

本发明所采用的技术方案是，一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法，具体包括如下过程：