[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

说明书

本发明涉及一种基于CT扫描的含孔隙缺陷短纤维增强复合材料力学性能的预测方法，主要解决现有技术预测精度计算效率低的问题。其方案是：利用CT扫描获得短纤维增强相，孔隙缺陷和基体材料的微观分布；根据短纤维的长短和空间取向，建立椭球形简化力学模型；基于有限体积直接平均微观力学法，建立三维等参化的细观力学模型；通过先将短纤维增强相和孔隙缺陷两组分材料等效均化，再将等效模型与基体组分材料二次等效的两步法获得细观力学模型；通过组分材料的空间分布和力学参数获得复合材料的各向异性力学参数。本发明提高了预测精度，取得了比体胞夹杂理论更高的计算效率，节省了时间，可用于新能源汽车、航空航天、海洋船舶材料的测试和选择。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种复合材料力学性能预测方法，可用于新能源汽车，航空航天，海洋船舶，体育器材的材料测试和选择。

背景技术

短纤维增强复合材料是指在基体相中混杂空间随机分布短纤维的一类复合材料。在细观尺度上，由于短纤维的空间随机分布，往往造成细观应力场分布不均匀的问题，但是相较于传统材料，该类型复合材料表现出优异的韧性和抗冲击能力。短纤维增强复合材料成型工艺简单，在实际生产中片状模塑料和团状模塑料产量极大。采用聚合物基的短纤维复合材料不但大大降低自重，而且具备良好的绝缘特性，在电器设备中，该类材料逐步替代非承力外壳中的金属材料。此外，在新能源汽车，航空航天，海洋船舶，体育器材等领域，短纤维增强复合材料具有更为广阔的应用前景。实际上，短纤维增强复合材料的力学性能存在高度的不可预测性，致使材料的应用环境和安全裕度受到了严格的限制。短纤维的空间取向和尺寸是影响复合材料的各向异性力学性能的根本原因，而这两项重要指标均与材料成型存在重要的联系。因此，基于组分材料微观分布的信息，建立复合材料细观力学模型模拟各向异性力学性能，对修正材料成型工作中存在的问题和提高复合材料的力学性能具有重要的工程意义。

Hamidi等人在Composites Science and Technology发表的文章中，提出采用电子扫描显微镜获得模塑复合材料孔隙形态二维切片的结构特征，但实际上该试验方法无法充分表征组分材料的三维微观分布。Lin等人在NDT and E International发表的文章中，提出采用超声波方式分析具有随机孔隙的复合材料的微观特征，但该方法对于复杂的微观结构却并不理想。针对以上试验中的问题，Wang等人在Composite Structures发表的文章中，提出使用CT技术对平纹碳/环氧复合材料进行扫描，该方法虽然获得了复合材料组分的三维微观结构信息，但由于复合材料的力学性能受到多种组分相的影响，根据组分材料的微观几何信息建立一种合理的力学模型，将会极大减少工程试验成本，有助于复合材料的多尺度力学行为的预测。因此，基于细观力学模型，建立一种包含组分材料微观几何特征的数值方法，无论对提高理论模型的预测精度还是对改进多相夹杂复合材料的预测方法均具有重要的创新性意义。而该CT技术并没有建立反应复合材料真实结构的模型，也没有对其力学性能进行预测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于CT扫描的短纤维增强复合材料力学性能预测方法，以建立含孔隙缺陷的短纤维增强复合材料模型，获得其非线性应力-应变响应曲线，实现对复合材料各向异性力学参数和非线性力学行为的有效预测。

本发明的技术思路是：通过CT扫描试验评价含孔隙缺陷的短纤维增强复合材料中各组分材料的微观分布；通过对组分材料微观分布的统计结果，分析影响复合材料各向异性力学性能的主要原因；根据材料成型的工艺手段，探究并修正影响微观结构的工艺参数；对于高度随机性分布的短纤维增强相和孔隙缺陷，通过两步法评估三相介质夹杂情况下复合材料的各向异性力学性能；通过对基体材料建立非线性力学模型，模拟复合材料在承受准静态拉伸载荷情况下的非线性力学响应，计算的正交各向异性刚度矩阵可根据偏轴加载的角度获得其他角度下的等效弹性模量，提高数值模型的工程适用性，具体实现步骤包括如下：

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：