[发明专利]一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法

权利要求书

1.一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，其特征在于：所述建模方法通过将单胞有限元模型嵌入宏观有限元模型危险部位被挖除的区域，并确保单胞模型的四面各自恰好有一列完整的单元被嵌入宏观模型中，采用嵌入式约束条件将单胞模型与宏观模型重合区域约束到一起，实现多尺度模型的建模，包含以下步骤：

步骤一、建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元

建立2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型，建模时将2.5D机织复合材料等效为均匀的正交各向异性体，为其设置表征材料宏观力学性能的9个材料工程常数，并对有限元模型进行单元网格划分。根据真实加载工况，为2.5D机织复合材料结构宏观有限元模型设置约束条件和载荷条件，提交数值计算，并根据宏观有限元模型的应力场模拟结果，确定2.5D机织复合材料结构上需要精细化建模的危险部位；

步骤二、建立2.5D机织复合材料的全厚度单胞有限元模型

根据2.5D机织预制体中纱线的编织结构，建立长方体的2.5D机织树脂基复合材料全厚度的单胞几何模型，设置单元类型为8节点的六面体单元C3D8，设置单胞模型在长、宽、厚这3个方向的单元个数，并设置单胞模型中纱线和基体组分的材料参数，导出包含单胞有限元模型全部信息的input文件；

步骤三、在宏观有限元模型上的危险部位挖除略小于单胞模型的区域

将宏观有限元模型和单胞有限元模型一起导入软件中，旋转单胞模型，使单胞模型中经纱延伸方向与宏观有限元模型中材料经向一致，并将单胞有限元模型平移到宏观有限元模型危险应力区域的正上方。根据单胞模型的轮廓，向宏观有限元模型的表面做投影，得到一个单胞模型的轮廓，在这个轮廓形状的基础上，使四个面的轮廓线分别向内平移，平移量取决于单胞模型相应方向的单元尺寸，规则是：使平移后的轮廓线围起来的矩形与原始轮廓线的矩形在每个方向的距离之差恰好等于相应方向单胞有限元模型的一列单元长度，然后以平移轮廓线后得到的矩形为参考，以贯穿厚度的方式在宏观有限元模型上挖除一个长方体，该挖除的长方体以平移轮廓线后得到的矩形为底面，以宏观有限元模型的厚度为高度。然后，将单胞模型再次向下平移并嵌入这个被挖除的区域，使单胞模型与之前的投影轮廓线所围区域恰好重合。

步骤四、建立单胞有限元模型和宏观有限元模型之间的约束

选定2.5D机织复合材料单胞模型四面分别嵌入复合材料结构宏观有限元模型中的一列单元，利用软件的嵌入式约束功能，将其约束于宏观有限元模型的单元网格中，得到2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型；

步骤五、根据真实加载工况设置多尺度有限元模型的约束和载荷条件

根据真实加载工况，对组合得到的2.5D机织复合材料平板结构的多尺度模型设置与第一步的宏观有限元模型完全相同的约束和载荷条件，设置数值计算参数，对多尺度模型提交计算；

步骤六、单胞有限元模型应力场的提取与分析

从多尺度模型应力场的数值计算结果中调取其中内嵌的单胞有限元模型中的结果，可获得单胞有限元模型中纱线、基体组分的应力分布和应力水平。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤一所述宏观有限元模型采用商用CAE软件建立。

3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤二所述单胞有限元模型采用专用的单胞模型建模软件建立。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤三所述单胞模型前、后、左、右四个面都恰好各有一列完整的单元被完全嵌入2.5D机织复合材料结构的宏观有限元模型中。

5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：步骤五所述多尺度模型数值计算采用软件。

6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：该建模方法适用于静态载荷作用下的2.5D机织复合材料结构多尺度模型的建立。

7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述2.5D机织复合材料以环氧树脂、双马树脂等聚合物为基体。