[发明专利]基于CT扫描的短纤维增强复合材料力学性能预测方法

权利要求书

1.基于CT扫描的短纤维增强复合材料力学性能预测方法，其特征在于，包括如下：

(1)对含孔隙缺陷的短纤维增强复合材料进行CT扫描试验，得到微观结构的几何特征，对该特征进行图像分割处理，得到短纤维增强相，孔隙缺陷和基体组分材料的三维微观分布和体积含量；

(2)根据单体孔隙缺陷的体积与表面积计算孔隙缺陷的球形度R；

(3)基于两尺度之间的均匀渐进化理论获取每个子胞的Hill矩阵A；

(4)根据空间短纤维的长度，空间取向的分布和体积含量以及孔隙缺陷的体积含量，基于有限体积直接平均的微观力学方法计算等效力学参数C₁：

上标αβγ表示子胞的三维编号，下标v和f分别表示孔隙和纤维，υ，C和A分别表示对应子胞的权值，刚度矩阵和Hill矩阵，代表孔隙位置子胞的权值，代表组成纤维子胞的权值，代表孔隙位置子胞的刚度矩阵，代表组成纤维子胞的刚度矩阵，代表三维孔隙位置子胞的Hill矩阵，代表组成纤维子胞的Hill矩阵；

(5)建立等效力学模型与基体相的细观力学模型，获得细观力学参数C^*：

下标1和m分别表示等效模型和基体组分材料；

(6)基于旋转变换刚度矩阵，计算力学模型正交各向异性刚度矩阵在任意方向的等效弹性模量E，实现对复合材料偏轴加载的线性力学行为预测；

(7)基于修正BP统一粘塑性本构模型，输入基体组分材料的塑性参数，获得复合材料的非线性力学行为；

(8)结合(6)和(7)，对细观力学模型施加单轴方向的准静态位移拉伸载荷，得到应力-应变力学响应曲线，实现对含孔隙缺陷的短纤维增强复合材料的弹塑性力学行为预测。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：(1)中对微观结构的几何特征进行图像分割处理，是根据介质的边缘特征确定介质材料的阈值边界,对不同的组分材料根据其所属的阈值范围进行分割处理。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：(2)中计算孔隙缺陷的球形度R，通过如下公式进行：

其中，R表示为单体缺陷孔隙的球形度，V_void表示为单体缺陷孔隙的体积，A_void表示为单体缺陷孔隙的表面积。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：(3)中基于两尺度之间的均匀渐进化理论获取每个子胞的Hill矩阵A，通过如下公式进行：

ε＝Aε^(k)

ε，ε^(k)分别表示宏观应变与子胞应变;

Hill矩阵A表示细观力学模型中子胞的应变与宏观加载应变之间的线性对应关系，其为一个6×6的矩阵，表示如下：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：(4)中计算等效力学参数C₁，实现如下：

4a)根据样本空间内短纤维取向的CT扫描统计结果，建立等效椭球夹杂的表征体积单元，该表征体积单元中椭球模型的三个主轴长度由短纤维的空间取向和长度确定，计算公式如下：

上标j表示三个主轴方向，n表示短纤维的数目，该均化长度代表主轴的相对长度；

4b)根据短纤维增强相的体积含量，以及三个主轴方向的均化长度和之间的比例关系，得到三个主轴方向的轴长，根据轴长确定等效模型的几何特征，在此等效模型中输入孔隙缺陷和增强相的弹性模量和泊松比，基于有限体积直接平均的微观力学方法建立等效力学模型，得到简化模型的等效力学参数C₁：

其中，上标αβγ表示子胞的编号，下标1和f分别表示等效模型和基体组分材料，υ，C和A分别表示对应子胞的权值，刚度矩阵和Hill矩阵。