專利名稱：三維編織復(fù)合材料性能自適應(yīng)單元分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異形三維編織材料性能的分析方法，尤其涉及一種基于細(xì)觀單元結(jié)構(gòu)的三維編織復(fù)合材料性能的自適應(yīng)單元分析方法。
背景技術(shù)：
三維編織復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能得到航空航天、國防和醫(yī)療等行業(yè)的廣泛關(guān)注，異形三維編織復(fù)合材料在上述領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但其梯度性能的有效預(yù)測、分析方法則非常少。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種異形三維編織復(fù)合材料性能的自適應(yīng)單元分析方法。
申請人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，異形截面三維編織復(fù)合材料的性能體現(xiàn)出明顯的梯度變化趨勢，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型無法完成其性能的定量描述。申請人通過對三維編織工藝及材料內(nèi)部細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究，提出用于一種描述三維編織復(fù)合材料梯度性能的自適應(yīng)單元方法，即將用于分割三維編織復(fù)合材料的自適應(yīng)六面體單元等效為長方體單元，兩種單元體積恒等，花節(jié)相等，纖維體積百分含量相同；在計(jì)算復(fù)合材料內(nèi)部確定坐標(biāo)位置的力學(xué)性能時，用該單元進(jìn)行自適應(yīng)覆蓋，用混合法計(jì)算出單元的力學(xué)性能代表該點(diǎn)的力學(xué)性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部隨坐標(biāo)位置變化而變化的物理性能數(shù)字·化描述，達(dá)到預(yù)測和分析異形截面三維編織復(fù)合材料性能的目的。
基于上述研究，本發(fā)明提出一種異形三維編織復(fù)合材料性能的自適應(yīng)單元分析方法，該自適應(yīng)單元方法包括描述實(shí)際三維編織復(fù)合材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)單元及用于等效其結(jié)構(gòu)及性能的長方體單元。
自適應(yīng)單元方法描述的單元幾何結(jié)構(gòu)自適應(yīng)三維編織材料的自身結(jié)構(gòu)，其體積及性能隨織物宏觀結(jié)構(gòu)變化而變化。等效長方體單元與其等效的自適應(yīng)單元的紗線交叉方法相同、體積恒等，花節(jié)相等，纖維體積百分含量相同。
本發(fā)明所述三維編織復(fù)合材料性能自適應(yīng)單元分析方法具體包括如下步驟
I)定義異形截面三維編織復(fù)合材料的單元——自適應(yīng)單元
設(shè)維編織復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部某一自適應(yīng)單元在空間區(qū)域E圍成的三元函數(shù)為 f (X，y，ζ)，且函數(shù)f (X, y, ζ)在區(qū)域E上連續(xù),其體積為
Uz = / / / E, f (y, z) dzdydx
2)將自適應(yīng)單元等效為長方體單元
設(shè)異形截面三維編織復(fù)合材料的性能μ (X, y, ζ)在自適應(yīng)單元內(nèi)部與相鄰單元邊界連續(xù)變化，將三維編織復(fù)合材料的自適應(yīng)單元等效為長方體單元，等效方法如下
2. I兩種單元的紗線交叉方法相同、體積及花節(jié)恒等，即
Uz = Uc = WL δ c, δ ζ = δ c
式中Uz和δ z分別表示自適應(yīng)單元的體積及花節(jié)；U。和δ。分別表示等效長方體單元的體積及花節(jié)；
2. 2纖維體積百分含量相同
自適應(yīng)單元的纖維體積百分含量
Vzf = Uzf/Uz
等效長方體單元的纖維體積百分含量
Vc = Ucf/Uc
即Vcf = Vzf
式中Uzf和Ucf分別表示自適應(yīng)單元和長方體單元中纖維的體積；
3)基于自適應(yīng)單元方法的確定異形截面三維編織復(fù)合材料整體纖維體積百分含
3. I定義異形截面三維編織復(fù)合材料的三維坐標(biāo)點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)字化描述，用i (a，b， c,...)來標(biāo)識需要描述的織物內(nèi)部的坐標(biāo)點(diǎn),每個坐標(biāo)點(diǎn)分別對應(yīng)一個用于覆蓋該坐標(biāo)點(diǎn)的自適應(yīng)單元，并對應(yīng)一個等效長方體單元，前述對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的等效長方體單元用j (1，2，3,...)來標(biāo)識；
3. 2根據(jù)精度需要來確定步長，步長越小，性能描述的精度越高，在織物內(nèi)部不同坐標(biāo)方向分別有三個步長Sx、Sy和Sz ；
3. 3計(jì)算異形截面三維編織復(fù)合材料坐標(biāo)點(diǎn)纖維體積百分含量
Vi = Ufajj0ZUijjX 100%
式中Uf^j)表示坐標(biāo)點(diǎn)i(a，b，c，...)處第j(l，2，3，···)個等效長方體單元中纖維的體積·Α,」表示坐標(biāo)點(diǎn)i (a，b，C，...)處第j (1，2，3，...)個等效長方體單元中的體積。
4)基于自適應(yīng)單元方法的分析異型截面三維編織復(fù)合材料的彈性性能
4. I將用于描述異型截面三維編織復(fù)合材料的自適應(yīng)單元用相應(yīng)的長方體單元等效，單元中有n(i = l，2，...，n)根紗線，設(shè)等效單元中不同傾斜狀態(tài)紗線的正軸剛度陣為 [C]f(i)，其計(jì)算公式為
[C' ] (j) = [A] [C] f ⑴[A]
式中[A]為哈密爾頓應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣，決定于紗線的傾斜狀態(tài)；[Α]τ為矩陣[A]的轉(zhuǎn)置矩陣。
4. 2設(shè)織物內(nèi)部某坐標(biāo)位置點(diǎn)(X，y, ζ)的等效長方體單元體積為U(x, y, z)，單元中第i根紗線的體積為Uf,i，則該紗線占等效單元的體積白分?jǐn)?shù)為
Vf ⑴=UfVU(Wz)XlOO^
4. 3設(shè)基體的剛度矩陣為[C]m，則異型截面三維編織復(fù)合材料確定坐標(biāo)位置點(diǎn)(X， 1，ζ)等效長方體局部剛度矩陣表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.三維編織復(fù)合材料性能自適應(yīng)單元分析方法，其特征在于包括如下步驟1)定義異形截面三維編織復(fù)合材料的單元——自適應(yīng)單元設(shè)維編織復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部某一自適應(yīng)單元在空間區(qū)域E圍成的三元函數(shù)為f (X，Y, Z),且函數(shù)f (X, y, Z)在區(qū)域E上連續(xù),其體積為Uz = / f f Ef (x, y, z) dzdydx2)將自適應(yīng)單元等效為長方體單元設(shè)異形截面三維編織復(fù)合材料的性能μ U，1，ζ)在自適應(yīng)單元內(nèi)部與相鄰單元邊界連續(xù)變化，將三維編織復(fù)合材料的自適應(yīng)單元等效為長方體單元，等效方法如下·2.I兩種單元的紗線交叉方法相同、體積及花節(jié)恒等，即Uz = Uc = WL δ c, δ ζ = δ c式中Uz和δ z分別表示自適應(yīng)單元的體積及花節(jié)；U。和δ。分別表示等效長方體單元的體積及花節(jié)；·2.2纖維體積百分含量相同自適應(yīng)單元的纖維體積百分含量Vzf = uzf/uz等效長方體單元的纖維體積百分含量Vc = Ucf/Uc即 VCf = Vzf式中Uxf和Ucf分別表示自適應(yīng)單元和長方體單元中纖維的體積；·3)基于自適應(yīng)單元方法的確定異形截面三維編織復(fù)合材料整體纖維體積百分含量·3.I定義異形截面三維編織復(fù)合材料的三維坐標(biāo)點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)字化描述，用i(a，b， c,...)來標(biāo)識需要描述的織物內(nèi)部的坐標(biāo)點(diǎn),每個坐標(biāo)點(diǎn)分別對應(yīng)一個用于覆蓋該坐標(biāo)點(diǎn)的自適應(yīng)單元，并對應(yīng)一個等效長方體單元，前述對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的等效長方體單元用j (1,2, 3,...)來標(biāo)識；·3.2根據(jù)精度需要來確定步長，步長越小，性能描述的精度越高，在織物內(nèi)部不同坐標(biāo)方向分別有三個步長Sx、Sy和Sz ；·3.3計(jì)算異形截面三維編織復(fù)合材料坐標(biāo)點(diǎn)纖維體積百分含量Vi = Uf(i,^Ui,J X 100%式中Uf(i,」)表示坐標(biāo)點(diǎn)i(a，b，C，...)處第j(l，2，3，...)個等效長方體單元中纖維的體積表示坐標(biāo)點(diǎn)i (a，b，C，...)處第j (1，2，3，...)個等效長方體單元中的體積?！?)基于自適應(yīng)單元方法的分析異型截面三維編織復(fù)合材料的彈性性能·4.I將用于描述異型截面三維編織復(fù)合材料的自適應(yīng)單元用相應(yīng)的長方體單元等效， 單元中有n(i = 1,2,...,η)根紗線，設(shè)等效單元中不同傾斜狀態(tài)紗線的正軸剛度陣為[C] f(i)，其計(jì)算公式為[C' ]f ⑴=[A] [C] f (j) [A]式中[A]為哈密爾頓應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣，決定于紗線的傾斜狀態(tài)；[Α]τ為矩陣[A]的轉(zhuǎn)置矩陣。·4.2設(shè)織物內(nèi)部某坐標(biāo)位置點(diǎn)(X，y, ζ)的等效長方體單元體積為U(x,y,z)，單元中第i 根紗線的體積為Uf, i，則該紗線占等效單元的體積白分?jǐn)?shù)為Vf ⑴=Κ,Ζ)Χ100%.4.3設(shè)基體的剛度矩陣為[C]m，則異型截面三維編織復(fù)合材料確定坐標(biāo)位置點(diǎn)(x，y，z) 等效長方體局部剛度矩陣表達(dá)式為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維編織復(fù)合材料性能自適應(yīng)單元分析方法，包括1)定義異形截面三維編織復(fù)合材料的單元——自適應(yīng)單元；2)將自適應(yīng)單元等效為長方體單元；3)基于自適應(yīng)單元方法的確定異形截面三維編織復(fù)合材料整體纖維體積百分含量；4)基于自適應(yīng)單元方法的分析異型截面三維編織復(fù)合材料的彈性性能等步驟。本發(fā)明針對異形截面三維編織復(fù)合材料性能存在梯度提出了精確預(yù)測其性能的自適應(yīng)單元及其等效方法；并提出用于數(shù)字化描述其性能的步長控制方法，即模型計(jì)算精度可通過細(xì)化不同坐標(biāo)方向的步長得以提高。與傳統(tǒng)的基于單胞法的預(yù)測模型相比不僅有效解決了復(fù)雜幾何形狀三維編織復(fù)合材料性能預(yù)測問題，而且預(yù)測精度更高。
文檔編號G06F19/00GK102938019SQ20121040284
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者朱建勛, 馬文鎖, 李天興, 唐亦囡 申請人:中材科技股份有限公司