[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

说明书

本发明涉及一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，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，并将单胞模型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，最后根据真实加载条件对模型施加载荷和约束条件，完成多尺度模型的建模；该方法操作简单，计算效率高，适合工程应用，相比宏观有限元建模方法，可模拟2.5D机织复合材料内部微观应力场；相比直接绑定宏观有限元模型和单胞模型的多尺度模型建模方法，可有效降低应力集中，保证变形和力在两个尺度的模型之间有效传递；相比全局模型‑子模型的多尺度模型建模方法，无需二次计算，所需计算成本更低。

技术领域

本发明属于复合材料虚拟仿真技术领域，涉及一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法。

背景技术

2.5D机织复合材料由于独特的层间联锁结构，克服了传统层板复合材料层间性能薄弱和抗冲击性能差的缺点，而与普通的3D编织复合材料相比，2.5D机织复合材料还具备制备成本低、可设计性强、工艺性好等优点，显著的优点使得2.5D机织复合材料在航空、航天结构中得到越来越广泛的应用。2.5D机织复合材料具有独特的编织结构，比传统的层板复合材料具有更显著的不均匀性，失效模式也更加复杂，因此对2.5D机织复合材料结构失效机理的分析必须基于单胞尺度模型的应力场分析，然而受限于计算成本又不可能对整个宏观结构模型全部采用单胞模型进行模拟，因此建立宏-细观结合的多尺度模型是开展2.5D机织复合材料结构损伤模拟和强度预测的理想技术途径。2.5D机织复合材料多尺度模型的建模思路是在远离结构高应力水平危险区域的部位采用宏观模型模拟，在危险部位采用基于单胞的细观尺度模型模拟，以期在工程应用可承受的计算成本下实现结构局部精细化损伤的预测，获得结构的强度预测值，从而指导结构设计，避免采用试错方法带来的多次迭代。对于多尺度模型的建模来说，保证宏观模型与单胞模型之间边界条件的协调，是保证多尺度模型有效性的关键。

目前最常用的解决方案是全局模型-子模型的建模方法，例如LS-DYNA等软件提供的界面分析(*INTERFACE)这一功能，界面的定义可以是面、线或节点，以指定的频率保存这些界面上的位移和速度历史数据，这些数据可以在后续分析中作为驱动次级计算的边界条件。全局模型-子模型方法的具体实施方法是在宏观模型和子模型上对应位置定义界面，在宏观模型计算过程中，将该界面处的数据按照指定步长保存，根据需要去掉外部载荷或者保留部分外部载荷，或者对载荷进行放大等后，将数据传递到细观尺度的子模型中进行第二次数值计算，这种方法需要进行两次计算分析，操作繁琐，且需要对宏观模型中的界面数据进行技术性操作，以保证全局模型和子模型的匹配，对工程师的经验和技术要求较高，因此这种方法在工程应用方面的便捷性和操作性较差。除了上述常见的全局模型-子模型分析方法外，还有一些研究者对宏观模型精细建模的区域挖除一个与单胞有限元模型体积完全相同大的区域，将单胞模型嵌入宏观模型被挖除的部位后，再利用绑定约束将单胞模型与宏观模型的接触面进行绑定，然而绑定约束的致命缺陷是无法有效保证不同尺度模型之间变形和应力的准确传递，会在宏观模型和单胞模型的接触部位引入显著的应力集中，导致单胞模型内应力场的数值分析结果严重失真。

发明内容

本发明的目的是：提出一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，目的是对2.5D机织复合材料平板结构的强度及微观损伤进行快速、准确地预测。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种2.5D机织复合材料平板结构多尺度模型的建模方法，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，具体做法为：