申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2022-04-25

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN114861494B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F113/26

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2022.08.23#实质审查的生效;2022.08.05#公开

摘要：本发明涉及一种考虑热解碳各向异性特征的CC复合材料弹性性能预测方法，根据CVI过程中热解碳的各向异性特征，建立了CC复合材料的代表性体积单元模型。该模型首先利用简单插值方法得到等效基体属性，并读取每个等效基体单元的体心坐标，其次，通过泰森多边形原理判断等效基体单元所属的区域，完成各向异性热解碳围绕纤维生长的形貌表征，最终实现CC复合材料弹性性能的有效预测。本发明弥补了目前数值模型中热解碳建模的不足，准确表征了各向异性热解碳围绕纤维生长的形貌特征，同时综合考虑了孔隙对复合材料整体有效弹性性能的影响，为其他含有热解碳的复合材料建模提供一定的借鉴。

主权项：1.一种考虑热解碳各向异性特征的CC复合材料弹性性能预测方法，其特征在于步骤如下：步骤1：CC复合材料主要由热解碳、碳纤维和孔隙组成，利用热解碳的各向异性材料属性和Voigt和Reuss模型，采用简单插值的方法对热解碳和孔隙进行等效处理，计算出包含原始热解碳和孔隙的等效基体弹性刚度矩阵： 其中，V0和V1分别表示原始热解碳基体的体积分数和孔隙的体积分数，C0和C1分别表示原始热解碳基体和孔隙的刚度矩阵，和分别是利用Voigt和Reuss模型得到的弹性刚度矩阵，是由简单插值方法得到的等效基体弹性刚度矩阵；本步骤将CC复合材料简化为由等效基体和碳纤维组成的两相复合材料；步骤2：对两相复合材料，利用随机序列吸附算法，在Matlab中输入纤维体积分数以及纤维的长径比，从而输出纤维的端点位置坐标集；利用Python程序在ABAQUS软件中读取纤维端点位置坐标集，并输入模型尺寸和网格尺寸，建立CC复合材料代表性体积单元模型，输出经过网格化后的等效基体单元体心坐标集；步骤3：根据步骤二中的等效基体单元体心坐标集，计算每个单元体心到不同纤维之间的距离d；定义等效基体单元体心坐标点为Mx，y，z，纤维两个端点坐标分别为Px0，y0，z0和Qx1，y1，z1，经过M点垂直于直线PQ的垂足坐标Nxc，yc，zc，则通过等式4-6确定该距离值d： 其中，m、n、q和t是引入的中间变量；步骤4：利用步骤三得到的距离值，基于泰森多边形原理，对等效基体区域进行分类，当任意两根纤维pi，pj和任意一个等效基体单元e满足公式7条件时，该等效基体单元则被视为隶属于纤维pi的一个泰森多边形区域内，以此类推，该区域内等效基体单元集构成了围绕纤维pi生长的热解碳形貌，从而建立了具有热解碳形貌特征的CC复合材料代表性体积单元模型：de,pi＜de,pjj＝1,...,n；j≠i7步骤5：将步骤1中得到的等效基体属性作为代表性体积单元模型中基体的属性，同时对步骤4中创建的代表性体积单元模型施加周期性边界条件，实现模型对立面上位移的连续性；该边界条件通过商业软件ABAQUS中的多点约束方程来完成，使得每个节点对具有等式8所示的约束关系： 其中，表示初始应变值，u表示位移值，k+和k-表示两个平行对立的面内第k个节点对，下标i和j表示自由度方向，可以取值为1，2，3，表示第k个节点对在j方向上的距离；步骤6：基于步骤五的边界条件，通过有限元计算原理得到模型的结果文件，利用体积平均方法分别计算出平均应力σij和平均应变εij，最后采用胡克定律得到CC复合材料的有效弹性性能： 其中，ne是代表性体积单元模型中总单元数量，nint是在单元e中高斯积分点的数量，V是模型的总体积，Ve是单元e的体积，WyI是高斯积分点yI的权重，σijyI和εijyI分别是高斯积分点yI处的应力和应变分量，JyI是高斯积分点yI处的雅格比矩阵。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 西北工业大学 考虑热解碳各向异性特征的C/C复合材料弹性性能预测方法

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