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申请/专利权人：中国航发北京航空材料研究院

摘要：本发明涉及一种2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的多尺度模拟方法，通过将单胞有限元模型嵌入2.5D机织复合材料振动疲劳试验件宏观有限元模型工作段最小截面处，将宏观有限元模型上单胞模型嵌入区域的材料设置为一种具有极小弹性模量的各向同性材料，利用“嵌入式”约束将单胞有限元模型的节点约束于宏观有限元模型的单元网格中，组合得到多尺度模型，基于固定周期跳跃的疲劳加载模拟方法设置数值模拟的分析步，结合专门针对2.5D机织复合材料振动疲劳损伤模拟提出的失效准则和材料性能退化规则，开展有限元模型的数值计算，实现2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的多尺度模拟。具有计算成本低、计算效率高和预测精度高的优点。

主权项：1.2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的多尺度模拟方法，其特征在于：所述的多尺度模拟方法通过将单胞有限元模型嵌入2.5D机织复合材料振动疲劳试验件宏观有限元模型工作段最小截面处，将宏观有限元模型上单胞模型嵌入区域的材料设置为一种具有极小弹性模量的各向同性材料，利用“嵌入式”约束将单胞有限元模型的节点约束于宏观有限元模型的单元网格中，组合得到多尺度模型，基于固定周期跳跃的疲劳加载模拟方法设置数值模拟的分析步，结合专门针对2.5D机织复合材料振动疲劳损伤模拟提出的失效准则和材料性能退化规则，开展有限元模型的数值计算，实现2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的多尺度模拟；包含以下步骤：步骤一、建立单胞有限元模型根据2.5D机织预制体的编织结构，建立2.5D机织复合材料的单胞有限元模型，并分别为单胞有限元模型中的基体和纱线设置材料参数；标记单胞模型的长、宽方向及其尺寸，其中单胞模型的长、宽方向取决于振动疲劳试验件中真实的纱线分布，具体方法如下：若振动疲劳试验件长度方向是经纱延展方向，则单胞模型中的经纱延展方向为单胞模型的长度方向，纬纱延展方向为单胞模型的宽度方向；若振动疲劳试验件长度方向是纬纱延展方向，则单胞模型中的纬纱延展方向为单胞模型的长度方向，经纱延展方向为单胞模型的宽度方向；步骤二、建立划分了单胞模型嵌入区域和其它区域的振动疲劳试验件的宏观有限元模型首先，建立振动疲劳试验件的宏观有限元模型，然后，根据单胞模型的宽度w和振动疲劳试验件工作段区域的最小宽度W，计算拟嵌入单胞有限元模型的个数n；其次，以振动疲劳试验件工作段中心为单胞模型嵌入区域的中心，以单胞模型的长度作为单胞模型嵌入区域的长度，以n个单胞模型的总宽度作为单胞模型嵌入区域的宽度，由此确定振动疲劳试验件宏观有限元模型上的单胞模型嵌入区域，并从宏观模型中将这部分切割成独立的部分，将单胞模型嵌入区域定义为各向同性材料，材料弹性模量设置为0.001MPa，泊松比设置为0.3；宏观有限元模型上其它区域定义为正交各向异性材料，设置材料局部坐标系，按照试验测得的2.5D机织复合材料宏观尺度的9个材料工程常数为其它区域的材料定义不同方向的弹性模量和泊松比；步骤三、多尺度模型的组合将n个单胞有限元模型嵌入2.5D机织复合材料振动疲劳试验件宏观有限元模型上的单胞模型嵌入区域，然后利用嵌入式约束，将单胞有限元模型的节点约束到振动疲劳试验件宏观有限元模型的单元网格中；步骤四、设置组合后的多尺度有限元模型的约束和载荷条件对组合后的振动疲劳试验件的多尺度有限元模型设置如下约束和载荷条件：多尺度模型无中心孔一侧的端面到中间工作段之间区域的上、下表面设置固支约束；多尺度模型有中心孔一侧端面的上方边线施加位移型载荷，位移方向垂直于试验件宏观有限元模型的上表面并朝上，位移的具体数值取决于真实振动疲劳加载时试验件自由端的振幅；步骤五、定义单胞有限元模型中基体和纱线的失效准则以及损伤后的力学性能退化规则针对固定周次跳跃的疲劳加载模拟方法，为了模拟每经历固定循环周次N0＝106的损伤，专门提出了如下基体和纱线的失效准则；基体的失效准则定义为：基体的VonMises应力大于0.8倍的基体拉伸强度；纱线的失效准则定义为：纱线中横向应力或纱线厚度方向应力大于0.8倍的纱线横向拉伸强度；在满足失效准则后，对基体和纱线进行材料力学性能退化，退化规则是：若纱线的应力水平满足失效准则，则将纱线的横向模量降为极小值；若基体的应力水平满足失效准则，将基体的弹性模量降为极小值，极小值为0.001MPa；步骤六、为有限元模型设置模拟疲劳加载的分析步和数值计算参数按照固定周期跳跃的疲劳加载模拟方法的思想，在软件中为有限元模型设置模拟疲劳加载的分析步；步骤七、基于多尺度模型数值计算的振动疲劳损伤模拟根据步骤五定义的单胞内纱线和基体的失效准则和力学性能退化规则，定义损伤状态变量作为失效准则的表征量，在软件中进行有限元模型和子程序的关联设置，利用软件对上述建立的多尺度有限元模型进行数值计算，从多尺度模型的数值计算结果中单独调取内嵌的单胞有限元模型的模拟结果，逐增量步地查看单胞有限元模型中的纱线和基体的损伤状态变量云图，获得每经历固定循环周次N0＝106的振动疲劳加载过程中2.5D机织复合材料试验件工作段区域材料内部微观损伤状态的演变规律。

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