多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法

1.本发明属于纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法。


背景技术：

2.由于碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具备优异的综合性能、可自动化高效率地制备和清洁可回收的性质，自从出现以来，这种材料获得了较多的关注，应用也越来越广泛，特别是在半结构和工程应用中，是一种有吸引力的金属部件替代品。
3.多年来，制备碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料已发展了多种方法。目前应用最广泛的就是短纤注塑成型与单向连续纤维增强的预浸片，前者因纤维长度限制，就性能而言增强效果并不是很理想，后者在实际应用的过程中，当应力状态不能确定或应力状态需要各个方向近似，就需要对单向连续增强的复合材料进行单向铺层再设计，而单向连续纤维制成的层合板易发生层间破坏，其优势就大大减弱，工序和成本也相对较高。
4.现有的一种仿生碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，其利用多级碳纤维增强聚醚醚酮树脂，收获了良好的力学性能。然而在受到应力时其内部各个组分的受力大小及应变情况仍不明确，为此我们提出多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的仿真力学性能分析方法，仿真多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料内部受力后的应力、形变及位移情况，进一步明确该复合材料的应力传递途径。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，旨在解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
8.步骤一、按照预设结构对多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料建模，即连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；
9.所述多级碳纤维增强包括连续碳纤维纱线增强与非连续长碳纤维增强；其中，连续碳纤维纱线中的每一根碳纤维均被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将碳纤维纱线包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体；三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，视作各向同性均质材料；
10.步骤二、将建立好的模型导入有限元分析软件中；
11.步骤三、定义连续碳纤维纱线框架材料种类并赋予材料力学参数；
12.步骤四、定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料材料种类并赋予材料力学参数；
13.步骤五、将连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料组装，划分网格、设置约束并施加应力；
14.步骤六、计算得到多级碳纤维增强的聚醚醚酮基复合材料的静态力学性能仿真分析结果。
15.进一步的，所述步骤一的具体操作为：按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用solidworks对连续碳纤维纱线框架建模；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料视作均质各向同性材料，使用solidworks建模。
16.进一步的，所述步骤一中，根据异色瓢虫前翅的内部仿生结构的连续碳纤维纱线的走向及粗细，使用solidworks对其单增强单元进行建模。
17.进一步的，所述步骤二的具体操作为：将建立好的模型导入有限元分析软件abaqus中。
18.进一步的，所述步骤三的具体操作为：定义连续碳纤维纱线框架为横观各向同性材料，赋予连续碳纤维纱线框架通过桥联微观力学模型计算出的材料力学参数。
19.进一步的，所述步骤三中，根据桥联矩阵的方法计算连续碳纤维纱线框架的材料力学参数，包括弹性模量和泊松比。
20.进一步的，所述步骤四的具体操作为：定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料为各向同性均质材料，赋予三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料实际测得的材料力学参数。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.(1)该多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料视作各向同性均质材料，在保证数据真实可靠的前提下最大程度的简化了仿真步骤。
23.(2)该多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，为了使计算得到的碳纤维纱线的横向性能更为精确，选择了桥联微观力学模型进行计算，摒弃掉了传统的混合方法。
24.(3)该多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法的流程清晰，对微机计算能力的要求不高，得到的结果精确可靠，为后续复合材料的加工及缺陷预测提供了先行依据，具有较高的应用价值。
附图说明
25.图1为实施例1中s4步骤连续碳纤维纱线框架及三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料装配后的3d模型。
26.图2为实施例1中s5步骤材料整体划分网格后的3d模型。
27.图3为实施例1中s6步骤固定约束和施加应力的模型示意图。
28.图4为实施例1中各步骤处理后的位移云图。其中，(a)为压缩后多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料整体的位移云图；(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的位移云图。
29.图5为实施例2中各步骤处理后的应力云图。其中，(a)为压缩后多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料整体的应力云图；(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的应力云图。
30.图6为实施例3中各步骤处理后的应变云图。其中，(a)为压缩后多级碳纤维增强聚
醚醚酮复合材料整体的应变云图；(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的应变云图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
33.本发明一个实施例提供的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
34.步骤一、按照预设结构对多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料建模，即连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；
35.所述多级碳纤维增强包括连续碳纤维纱线增强与非连续长碳纤维增强；其中，连续碳纤维纱线中的每一根碳纤维均被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将碳纤维纱线包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体；三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，视作各向同性均质材料；
36.步骤二、将建立好的模型导入有限元分析软件中；
37.步骤三、定义连续碳纤维纱线框架材料种类并赋予材料力学参数；
38.步骤四、定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料材料种类并赋予材料力学参数；
39.步骤五、将连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料组装，划分网格、设置约束并施加应力；
40.步骤六、计算得到多级碳纤维增强的聚醚醚酮基复合材料的静态力学性能仿真分析结果。
41.作为本发明的一种优选实施例，所述步骤一的具体操作为：按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用solidworks对连续碳纤维纱线框架建模；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料视作均质各向同性材料，使用solidworks建模。
42.在本发明实施例中，优选的，在连续的碳纤维纱线缝制之前，三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料预制体取自发明专利(申请号201710504295.x，发明名称：碳纤维长纤增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法)，将此复合材料视作一个均质各向同性材料，使用solidworks对其进行建模。
43.作为本发明的一种优选实施例，所述步骤一中，根据异色瓢虫前翅的内部仿生结构的连续碳纤维纱线的走向及粗细，使用solidworks对其单增强单元进行建模。
44.在本发明实施例中，优选的，异色瓢虫前翅启发的碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料具有特殊的内部增强结构，增强纤维由连续的碳纤维纱线以及分散的非连续碳纤维构成，具体制备方法取自发明专利(申请号202110543244.4，发明名称：一种碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料及其制备方法)。根据其内部的连续碳纤维纱线的走向及粗细，使用solidworks对其单增强单元进行建模。
45.作为本发明的一种优选实施例，所述步骤二的具体操作为：将建立好的模型导入
有限元分析软件abaqus中。
46.作为本发明的一种优选实施例，所述步骤三的具体操作为：定义连续碳纤维纱线框架为横观各向同性材料，赋予连续碳纤维纱线框架通过桥联微观力学模型计算出的材料力学参数。
47.作为本发明的一种优选实施例，所述步骤三中，根据桥联矩阵的方法计算连续碳纤维纱线框架的材料力学参数，包括弹性模量和泊松比。
48.作为本发明的一种优选实施例，所述步骤四的具体操作为：定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料为各向同性均质材料，赋予三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料实际测得的材料力学参数。
49.在本发明实施例中，优选的，由于碳纤维纱线的各方向强度差异较大，在纤维轴向强度远远高于纤维径向，故将其视作横观各向同性材料，根据桥联矩阵的方法计算其包括弹性模量、泊松比在内的材料力学参数，并在abaqus赋予。而三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的各项力学性能经过测试基本接近于各向同性材料，故在abaqus中赋予其为各向同性均质材料。
50.实施例1
51.该实施例提供了多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
52.s1、用于模拟的三维针刺非连续长碳纤维针刺聚醚醚酮基复合材料的尺寸为8
×8×
4mm，该尺寸为单个连续碳纤维纱线缝制的框架的尺寸，即为单增强单元的尺寸。
53.其中，上述的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是取自发明专利(申请号201710504295.x，发明名称：碳纤维长纤增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法)所制备的长碳纤维增强聚醚醚酮，其中碳纤维:聚醚醚酮＝30:70(wt％)。其具体的制备步骤分为两部分：三维(3d)针刺毡预制件的制作和真空熔融热压成型。在3d针刺毡预制件的过程中，聚醚醚酮复丝由熔体指数为42g/10min纺丝级peek专用料经高温熔融纺丝机(北京涩谷设备有限公司，中国)纺丝而成。将得到的peek纤维和碳纤维(t700-24k，toray，japan)分别用纤维切割机切成40mm。然后将70％peek纤维和30％碳纤维洗涤，混合，梳理，铺设和针刺以制备碳纤维增强聚醚醚酮复合针刺毡预制件。在真空熔融热压成型的过程中，将碳纤维增强聚醚醚酮针刺毡预制件切成模具尺寸，然后放入真空热压机中。经过加热-加压-饱和-冷却模塑过程，最后通过脱模获得三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料。
54.将其视作各向同性材料，在solidworks中绘制一同样尺寸的长方体备用。
55.s2、连续碳纤维纱线由纺线锤加捻而成，使用的碳纤维为6k t700sc型。其框架结构由异色瓢虫前翅的内部结构仿生而来，具体详见发明专利(申请号202110543244.4，发明名称：一种碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料及其制备方法)。而在压制成型的复合材料内部，碳纤维纱线中的每一根碳纤维都被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将其包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体，使用solidworks按照预设结构绘制连续碳纤维纱线框架。
56.s3、按照桥联微观力学模型计算被树脂包裹碳纤维纱线各个方向上的包括弹性模量、泊松比在内的材料力学参数，具体过程如下：
57.首先计算被树脂包裹的碳纤维纱线的纤维填充系数：
[0058][0059]
其中：r为碳纤维的半径，碳纤维纱线由6k t700碳纤维加捻得到，碳纤维的总截面面积应乘以6000。r是碳纤维纱线被peek基体浸润后的半径，用复合材料截面的sem图像测量。
[0060]
根据以往研究，碳纤维纱线的柔度矩阵[sy]如下所示：
[0061]
[sy]＝(vf[sf]+vm[sm][a])(vf[i]+vm[a])-1
[0062]
其中：[sf]为碳纤维柔度矩阵，[sm]为聚醚醚酮树脂柔度矩阵，vf在这里对应纤维填充系数ε，vm为纱线中浸入树脂的含量1-ε，[i]为单位矩阵，[a]为桥联矩阵。
[0063]
碳纤维柔度矩阵[sf]可以通过自身材料参数转换得到：
[0064][0065]
其中：为碳纤维轴向弹性模量，为碳纤维径向弹性模量，为碳纤维轴向剪切模量，为碳纤维径向剪切模量，为碳纤维轴向泊松比，为碳纤维径向泊松比。以上参数如表1所示。
[0066]
表1碳纤维的材料参数
[0067][0068]
聚醚醚酮树脂柔度矩阵[sm]可以通过自身材料参数转换得到：
[0069][0070]
其中：em为树脂弹性模量，gm为树脂剪切模量，vm为树脂泊松比。以上参数如表2所示。
[0071]
表2聚醚醚酮树脂的材料参数
[0072][0073]
[a]为桥联模型的核心——桥联矩阵：
[0074][0075]
其中：
[0076][0077][0078][0079][0080]
通过上述计算，可以求得被树脂包裹的碳纤维纱线的柔度矩阵，对结果求逆，得到被树脂包裹的碳纤维纱线的刚度矩阵：
[0081][0082]
进行转换，得到被树脂包裹的碳纤维纱线的材料参数如表3所示。
[0083]
表3计算得到的被树脂包裹的碳纤维纱线的材料参数
[0084][0085][0086]
s4、将步骤s1、步骤s2建立好的模型导入到abaqus中，将被树脂包裹的连续碳纤维纱线框架定义为横观各向同性材料，输入步骤s3计算得到的被树脂包裹的碳纤维纱线的材料参数，按照真实情况赋予碳纤维框架的方向。将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料定义为各向同性材料。将两者装配，碳纤维框架上下的顶点与三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料上下底面相切，如图1所示。
[0087]
s5、为模型布置全局网格种子点，划分网格。其中碳纤维框架的种子点平均距离为0.5，网格形状为正四面体形，复合材料种子点平均距离为2，网格形状为正六面体形，如图2所示。
[0088]
s6、将整体底面固定，顶面施加400n自上而下的压力，如图3所示，使用standard求解器进行求解，得到顶面压力下的位移云图，如图4所示，图4中：(a)为压缩后多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料整体的位移云图，(b)为压缩后复合材料内部连续碳纤维纱线框架的位移云图。
[0089]
实施例2
[0090]
该实施例提供了多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
[0091]
s1、按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用solidworks对连续碳纤维纱线框架建模，将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料视作一均质各向同性材料，使用solidworks建模，将建立好的模型导入有限元分析软件abaqus中，定义连续碳纤维纱线框架为横观各向同性材料，定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料为各向同性材料，赋予连续碳纤维纱线框架通过桥联矩阵方法计算出的材料力学参数，赋予三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料实际测得的材料力学参数，将两者组装，划分网格、设置约束并施加应力，以上步骤与实施例1步骤s6中使用standard求解器进行求解之前的步骤相同。
[0092]
s2、使用standard求解器进行求解，得到顶面压力下的应力云图，如图5所示。
[0093]
实施例3
[0094]
该实施例提供了多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：
[0095]
s1、按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用solidworks对连续碳纤维纱线框架建模，将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料视作一均质各向同性材料，使用solidworks建模，将建立好的模型导入有限元分析软件abaqus中，定义连续碳纤维纱线框架为横观各向同性材料，定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料为各向同性材料，赋予连续碳纤维纱线框架通过桥联矩阵方法计算出的材料力学参数，赋予三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料实际测得的材料力学参数，将两者组装，划分网格、设置约束并施加应力，以上步骤与实施例1步骤s6中使用standard求解器进行求解之前的步骤相同。
[0096]
s2、使用standard求解器进行求解，得到顶面压力下的应变云图，如图6所示。
[0097]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些均不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

技术特征：
1.多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、按照预设结构对多级碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料建模，即连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；所述多级碳纤维增强包括连续碳纤维纱线增强与非连续长碳纤维增强；其中，连续碳纤维纱线中的每一根碳纤维均被熔融后冷却的聚醚醚酮树脂均匀包裹，将碳纤维纱线和将碳纤维纱线包裹的聚醚醚酮树脂视作一个整体；三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料，视作各向同性均质材料；步骤二、将建立好的模型导入有限元分析软件中；步骤三、定义连续碳纤维纱线框架材料种类并赋予材料力学参数；步骤四、定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料材料种类并赋予材料力学参数；步骤五、将连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料组装，划分网格、设置约束并施加应力；步骤六、计算得到多级碳纤维增强的聚醚醚酮基复合材料的静态力学性能仿真分析结果。2.根据权利要求1所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤一的具体操作为：按照预设的异色瓢虫前翅的内部仿生结构，使用solidworks对连续碳纤维纱线框架建模；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料视作均质各向同性材料，使用solidworks建模。3.根据权利要求2所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤一中，根据异色瓢虫前翅的内部仿生结构的连续碳纤维纱线的走向及粗细，使用solidworks对其单增强单元进行建模。4.根据权利要求1所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤二的具体操作为：将建立好的模型导入有限元分析软件abaqus中。5.根据权利要求1所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤三的具体操作为：定义连续碳纤维纱线框架为横观各向同性材料，赋予连续碳纤维纱线框架通过桥联微观力学模型计算出的材料力学参数。6.根据权利要求5所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤三中，根据桥联矩阵的方法计算连续碳纤维纱线框架的材料力学参数，包括弹性模量和泊松比。7.根据权利要求1所述的多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，其特征在于，所述步骤四的具体操作为：定义三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料为各向同性均质材料，赋予三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料实际测得的材料力学参数。

技术总结
本发明适用于纤维增强复合材料技术领域，提供了多级碳纤维增强复合材料的仿真力学性能分析方法，包括以下步骤：按照预设结构对连续碳纤维纱线框架和三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料建模；将模型导入Abaqus中；将连续碳纤维纱线框架定义为横观各向同性材料并赋予按照桥连矩阵方式计算出的材料力学参数；将三维针刺非连续长碳纤维增强聚醚醚酮复合材料定义为各向同性材料并赋予实际测得的材料力学参数；将两者组装，划分网格、设置约束并施加应力；计算力学性能仿真分析结果。本发明首次将有限元分析方法引入多级碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的静态力学性能分析中，旨在有效分析复杂构成的复合材料的应力分布。旨在有效分析复杂构成的复合材料的应力分布。旨在有效分析复杂构成的复合材料的应力分布。


技术研发人员：张梅 周星宇 孙大辉 赵姗姗 蒋俊辉 党俊波
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/14