纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法，其屬于復(fù)合材料靜力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用XCT技術(shù)建立復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，模型更加接近真實(shí)情況；且纖維束形狀、纖維體積比、孔隙率和孔隙的分布等影響彈性模量的重要參數(shù)能夠自動(dòng)獲得，而不需要進(jìn)行假設(shè)。本發(fā)明更為合理，計(jì)算準(zhǔn)確度更高，流程更為通用，且免去了各種似是而非的假設(shè)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，更容易讓工程人員接受和掌握。
【專利說(shuō)明】纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法，其屬于復(fù)合材料靜力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比剛度、比強(qiáng)度的特點(diǎn)，還可在極高溫度環(huán)境下作為結(jié)構(gòu)材料，是航空航天、軍事、新能源、汽車等領(lǐng)域的重要材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為單向、二維編織、2.5維、三維正交、三維四向等復(fù)合材料。不管何種構(gòu)型的復(fù)合材料，當(dāng)施加低速靜態(tài)載荷時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線一般包含線性段和非線性段。在線彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率為復(fù)合材料的等效彈性模量。快速準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)合材料的彈性參數(shù)，對(duì)于評(píng)價(jià)復(fù)合材料的靜力學(xué)性能以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0003]目前，確定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的等效彈性參數(shù)的方法有實(shí)驗(yàn)法、解析法和數(shù)值法。實(shí)驗(yàn)法是按照ASTM (American Society of Testing Materials)等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)，從得到的試驗(yàn)曲線上直接計(jì)算出相應(yīng)的等效彈性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)法需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄響應(yīng)曲線，操作過(guò)程比較繁瑣。此外，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般為非各向同性材料，根據(jù)復(fù)合材料類型的不同，其獨(dú)立的彈性參數(shù)可能為5個(gè)或9個(gè)，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得所有的彈性參數(shù)。
[0004]解析法只能計(jì)算種類非常有限的結(jié)構(gòu)非常規(guī)則的復(fù)合材料彈性模量，不能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料等效彈性模量計(jì)算。目前普遍采用數(shù)值法來(lái)計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的等效彈性模量。該方法基于均勻化理論，假設(shè)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)具有周期性，采用單胞模型來(lái)模擬復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)，對(duì)模型施加周期性邊界條件，計(jì)算出單胞的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，結(jié)合單胞的原始尺寸最后計(jì)算出等效彈性模量(見(jiàn)博士學(xué)位論文:陶瓷基復(fù)合材料損傷耦合的宏細(xì)觀統(tǒng)一本構(gòu)模型研究，作者:高希光，導(dǎo)師:宋迎東，南京航空航天大學(xué)，2007年)。但是，由于工藝上的限制，基體內(nèi)部通常存在分布不均勻的孔洞，且增強(qiáng)纖維也不可能是均勻分布的。而孔洞和纖維的分布對(duì)材料等效彈性模量的影響較大?；谥芷谛詥伟Ｐ秃茈y考慮這些影響因素，因此上述所說(shuō)的數(shù)值法在彈性參數(shù)預(yù)測(cè)時(shí)與實(shí)驗(yàn)值存在著很大的偏差。
[0005]因此，確有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法，適用于各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的等效彈性參數(shù)計(jì)算，充分考慮了纖維和孔隙分布不均勻的影響，計(jì)算精度高。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法，其包括如下步驟:
[0008]步驟1:將試件樣品進(jìn)行XCT掃描，獲得逐層的灰度圖像序列；
[0009]步驟2:假設(shè)試件斷層掃描圖片序列一共有M幅圖片，每幅圖片的像素尺寸為寬W像素、高H像素，每個(gè)像素的灰度范圍是0-255,其中采用(j，i，k) (k=0,l,2~M-1 ；i=0, 1，2~H-1 ； j=0, 1，2~W-1)來(lái)表不第k+Ι幅圖片，第i+Ι行，第j+Ι列像素，將試件斷層掃描圖片序列讀入內(nèi)存，建立像素的灰度數(shù)組color □，數(shù)組中的元素color [ff*H*k+ff*i+j]表示像素(j, i, k)的灰度值；
[0010]步驟3:確定基體、碳纖維和孔隙的參考灰度值colorM、colorF和colorV，理論上，孔隙的灰度值為0，基體和碳纖維的灰度值分別開(kāi)展XCT實(shí)驗(yàn)，獲得純基體和純碳纖維的灰度值，且實(shí)驗(yàn)參數(shù)與試件掃描時(shí)的參數(shù)相同，純基體和純碳纖維試件采用反應(yīng)燒結(jié)SiC板和碳纖維布，碳纖維布用樹(shù)脂固定；
[0011]步驟4:創(chuàng)建單元陣列，其通過(guò)一個(gè)像素代表一個(gè)三維8節(jié)點(diǎn)正方體單元，按照步驟2的設(shè)定，創(chuàng)建的單元陣列的長(zhǎng)、寬和高分別包含W、H和M個(gè)單元；
[0012]步驟5:確定單元的彈性參數(shù)，已知碳纖維和基體的彈性張量分別為P,和6^ ,其
中f和m分別表示纖維和基體，i, j, k, 1=1，2，3，孔洞的彈性張量設(shè)定為一個(gè)接近零而不為零的數(shù)值；
[0013]采用線性插值函數(shù)來(lái)計(jì)算單元(j，i，k)的彈性張量，假設(shè)co=color [W*H*k+W*i+j],在纖維束區(qū)域,如果 colorV〈co〈=colorF,則單元(j, i, k)的彈性
張量
【權(quán)利要求】
1.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于:包括如下步驟 步驟1:將試件樣品進(jìn)行XCT掃描，獲得逐層的灰度圖像序列； 步驟2:假設(shè)試件斷層掃描圖片序列一共有M幅圖片，每幅圖片的像素尺寸為寬W像素、高H像素，每個(gè)像素的灰度范圍是0-255，其中采用(j，i，k)(k=0，l，2~M-1 ；i=0, 1，2~H-1 ；j=0, I, 2~W-1)來(lái)表示第k+Ι幅圖片，第i+Ι行，第j+Ι列像素，將試件斷層掃描圖片序列讀入內(nèi)存，建立像素的灰度數(shù)組color □，數(shù)組中的元素color [W*H*k+W*i+j]表示像素(j，i, k)的灰度值； 步驟3:確定基體、碳纖維和孔隙的參考灰度值colorM、colorF和colorV，理論上，孔隙的灰度值為0，基體和碳纖維的灰度值分別開(kāi)展XCT實(shí)驗(yàn)，獲得純基體和純碳纖維的灰度值，且實(shí)驗(yàn)參數(shù)與試件掃描時(shí)的參數(shù)相同，純基體和純碳纖維試件采用反應(yīng)燒結(jié)SiC板和碳纖維布，碳纖維布用樹(shù)脂固定； 步驟4:創(chuàng)建單元陣列，其通過(guò)一個(gè)像素代表一個(gè)三維8節(jié)點(diǎn)正方體單元，按照步驟2的設(shè)定，創(chuàng)建的單元陣列的長(zhǎng)、寬和高分別包含W、H和M個(gè)單元； 步驟5:確定單元的彈性參數(shù)，已知碳纖維和基體的彈性張量分別為其中f和m分別表示纖維和基體，i，j, k, 1=1，2，3，孔洞的彈性張量K?設(shè)定為一個(gè)接近零而不為零的數(shù)值； 采用線性插值函數(shù)來(lái)計(jì)算單元(j, i，k)的彈性張量,假設(shè)co=color[W*H*k+W*i+j],在纖維束區(qū)域,如果colorV〈co〈=colorF,則單元(j, i, k)的彈性張量
2.如權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟3中如果沒(méi)有開(kāi)展獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定colorM和colorF，則通過(guò)在color []數(shù)組中尋找最大灰度值colorMax和最小灰度值colorMin，認(rèn)為colorM=colorMax，colorV=colorMin，在材料內(nèi)部沒(méi)有其他雜質(zhì)時(shí)，打開(kāi)一個(gè)斷層圖片，鎖定一個(gè)纖維束區(qū)域，然后尋找纖維束區(qū)域的最大值和最小值，然后取其平均值就是colorF。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103871059SQ201410091284
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】高希光, 宋迎東, 羅漂洋 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)