[发明专利]长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法

摘要

本发明公开了一种长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法,为解决长纤维增强热塑性复合材料由于应变率效应和各向异性的力学特性在仿真中很难准确模拟的问题，步骤：1.对LFRP平板进行不同方向不同应变率下的拉伸试验；2.对LFRP平板测试区域进行x射线CT扫描；3)对LFRP平板进行多尺度仿真验证：1)粘弹粘塑性材料模型及失效；2)仿真验证：使用ABAQUS软件与Digimat软件耦合建立仿真有限元模型，仿真计算三个应变率下的拉伸试验，其中0.001s^‑1和1s^‑1采用隐式算法，100s^‑1采用显示算法；令有限元样件模型一端固定，另一端延长度方向施加载荷，仿真计算得的各力学特征曲线与试验数据进行对比。

主权项

1.一种长纤维增强热塑性复合材料LFRP多尺度仿真方法，其特征在于，所述的长纤维增强热塑性复合材料LFRP多尺度仿真方法的步骤如下：1)对LFRP平板进行不同方向不同应变率下的拉伸试验：(1)截取试验样件；(2)力学性能试验；2)对LFRP平板测试区域进行X射线CT扫描；3)对LFRP平板进行多尺度仿真验证：(1)粘弹粘塑性材料模型及失效；(2)仿真验证：使用ABAQUS工程模拟的有限元软件与Digimat软件耦合建立仿真有限元模型，仿真计算三个应变率下的拉伸试验，其中0.001s^‑1和1s^‑1采用隐式算法，100s^‑1采用显式算法；创建部件、定义材料属性、定义截面属性、设置分析步、定义载荷和边界条件，进行计算分析，最后对结果进行分析，仿真计算得到的各力学特征曲线与试验数据进行对比；所述的截取试验样件是指：(1)LFRP平板是采用注射成型工艺，将热塑性基体和长玻璃纤维混合置于356mm×100mm×3mm的模具中加工而成，长玻璃纤维质量分数为40％；参照标准ISO527，试验样件是分别沿着与基体流动方向呈0度、45度和90度的夹角从三个LFRP平板上截取下来的；(2)试验样件的中心宽度为5mm；为防止试验样件上夹持部分圆弧过渡区域提前破坏，修改了试验样件的几何尺寸，将过渡圆弧的半径从30mm减小至5mm；所述的力学性能试验是指：(1)根据不同应变率选取不同试验机应变率范围从0.001s^‑1到0.1s^‑1的拉伸试验在万能试验机上进行的，而应变率范围从1s^‑1到100s^‑1的试验是在型号为HTM5020的高速拉伸试验机上完成的，材料拉伸试验的应变率范围涵盖了汽车碰撞过程中车身结构的变形速率；(2)试验样件应变测量应变通过散斑制作、标定相机、变形量的采集以及图像处理步骤由DIC数字图像相关系统获得，三维相机通过追踪物体表面散斑变化，采用优化的三维数字图像相关性运算法则，为试验提供二维、三维空间内全视野的形貌、位移及应变数据测量，得到多个应变率下三个方向的应力应变曲线；(3)分析不同力学特性参数与应变率的关系长纤维增强复合材料的力学特性既是各向异性又受应变率变化的影响，各向异性与纤维随基体流动的分布情况相关，每种应变率下都是0度方向上的刚度和强度最大，90度最小，另外，材料每个方向上的弹性模量和极限应力随应变率的增大而增大，极限应变则随之减小，通过非线性曲线拟合发现这3个特性参数的变化与应变率呈幂函数关系，其中回归方程为其中，y为弹性模量、极限应力或极限应变，a、b为拟合参数，为应变率；所述的对LFRP平板测试区域进行X射线CT扫描的步骤如下：1)为了准确了解纤维在LFRP平板中的分布情况，对LFRP平板的中心区域E及其周围区域截取样块进行X射线扫描，考虑纤维在LFRP平板中轴线左右两侧分布是对称的，选择一侧A、B、D、G、H区域，样块尺寸为8mm×6mm×3mm；2)扫描使用的设备为的nanoVoxel‑2000X射线三维显微镜，能实现低于500nm的成像分辨率；3)对中心区域E截取样块及周围区域截取样块进行X射线扫描，利用VGStudio形象视觉化软件将扫描的切片图像生成为三维图像，通过对比各厚度上的切片图，能清晰地看到LFRP平板沿厚度方向上是分层的，中间纤维多与流动方向呈明显夹角，且纤维排布更加密集，其余地方纤维多数沿着基体的流动方向排布；4)量化纤维方向的分布情况为了进一步量化纤维方向的分布情况，采用二阶方向张量表示，见公式(1)其中：x为基体流动方向、z为LFRP平板厚度方向，其中的矩阵为对称阵，对角线上每项值的范围都是0到1，其和为1，非对角线上每项的范围是‑0.5到0.5；二阶张量能进一步转化为特征值(λ₁，λ₂，λ₃)与特征向量几何形式为椭球，每个特征值分别代表了纤维沿其对应特征向量分布的概率，所以大多数纤维沿着第一特征向量排列，且λ₁≥λ₂≥λ₃；所述的粘弹粘塑性材料模型及失效是指：(1)根据LFRP纤维方向分布和体积含量在厚度上分层的特点进行简化，将代表性体积单元RVE分成两层，分别代表核心层区和表层区；考虑到核心层区由于纤维密集的影响使得纤维长度值更大，故将核心层的长径比设置的略大一些；(2)在各相材料的定义中，玻璃纤维采用弹性模型来模拟力学特性，热塑性基体采用粘弹粘塑性模型来模拟其在弹性阶段和塑性阶段所表现出的随应变率变化的力学特性，粘弹粘塑性模型分为粘弹性段和粘塑性段两个部分，其中粘弹性段采用Prony级数来表示，见公式(2)，Prony级数常用于描述聚合物基高分子材料的应力松弛和蠕变行为；且其中：t为材料松弛时间；G_t为剪切模量；G₀代表应变率无穷大的初始剪切模量；K_t为体积模量；K₀代表应变率无穷大的初始体积模量；和为各分量的松弛时间，和为给定分量松弛时间下剪切模量和体积模量的权重系数；假设材料的泊松比μ为常数0.25；由于应力松弛针对的是同一材料，因此，用于描述材料应力松弛行为的各分量的松弛时间相同，即对应的剪切和体积模量的权重系数也相同，即基体材料粘塑性阶段采用current yield Norton law的Viscoplastic模型，如下所示其中，是塑性变形应变率，σ_Y是初始屈服应力，η是粘塑性系数，f是粘塑性阶段的应力，R(p)是硬化应力，m是粘塑性指数；(3)在复合材料级别设置基于应变的Tsai‑Hill各向同性失效准则来预测材料失效，表达式见公式(5)，将每个应变率下三个方向的应力‑应变曲线输入MX模块，逆向得到参数，最终在MF模块中将上述参数定义给Tsai‑Hill失效因子；其中，X为最大轴向拉伸应变，Y为最大面内拉伸应变，S为最大横观剪切应变；确定好纤维和基体材料模型参数后，利用软件中MAP模块将测试区域的纤维方向张量和体积分数映射到试验样件的有限元网格单元上。