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专利摘要

本发明公开了一种一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，包括建立宏观尺度构件有限元模型；建立纤维束尺度有限元模型；建立其统计模型；建立纤维丝尺度有限元模型；计算宏观尺度下所有单元的高斯点应变；计算纤维束尺度下所有单元的高斯点应变；计算其纤维束尺度位移；计算其宏观尺度位移；利用相场法求解相场并更新宏观尺度的边界条件，迭代整个过程，从而预测损伤演化。本发明可快速实现连续纤维增强陶瓷基复合材料宏观形状、位置和角度的精确建模，从底层的纤维丝尺度开始计算，全面考虑了连续纤维增强陶瓷基复合材料的纤维束尺度下纤维形状对宏观尺度损伤的影响，能够更加准确的预测连续纤维增强陶瓷基复合材料的损伤。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202210434597.5
申请日期:
2022-04-24
专利申请人:
西南交通大学
分类号:
G06F30/23 ; G06F113/26 ; G06F119/02 ; G06F119/14
发明/设计人:
刘建涛，周俊杰，金铸城，柴华，曾庆丰，冯志强，关康
权利要求: 1.一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立连续纤维增强陶瓷基复合材料的宏观尺度构件有限元模型；S2、建立包含任意复杂编织预制体的纤维束尺度有限元模型；S3、通过导入CT扫描得到的孔隙信息，建立其形状、位置、尺寸、分布的统计模型，并在纤维束尺度模型引入自然缺陷特征；S4、建立纤维丝尺度有限元模型，并通过统计模型引入自然缺陷特征；S5、引入并行计算，计算宏观尺度下所有单元的高斯点应变，作为纤维束尺度下模型的边界条件；S6、引入并行计算，计算纤维束尺度下所有单元的高斯点应变，以作为纤维丝尺度下模型的边界条件；S7、采用CPU+GPU并行计算算法，在纤维丝尺度下计算平均应力和平均应变返回纤维束尺度计算其纤维束尺度位移；S8、在纤维束尺度下计算平均应力和平均应变返回宏观尺度计算其宏观尺度位移；S9、在宏观尺度下，引入上一步计算处的位移场，利用相场法求解相场并更新宏观尺度的边界条件，迭代整个过程，从而预测损伤演化。2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现方法为：建立宏观尺度模型，修改其边界从而预设一条裂纹。3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现方法为：S21、建立预制体参数化模型；结合增强纤维和纤维束截面形状及编织特点，开展了复杂预制体参数化精确建模，实现一维、二维、2.5维、三维增韧相参数化建模，同时完成不同形状纤维束及预制体设计；S22、预制体水平集函数描述和自动离散；结合水平集函数φ(i)(x,y,z)的值和预制体参数化模型，建立三维四面体节点处的水平集函数值和距离值；若单元同时存在函数fR(x,y,z)<0和函数fR(x,y,z)>0的节点，则该单元穿过增韧相边界Г，被定义为相交单元；则通过单元自动离散方法对该相交单元进行细分和编号及存储更新。4.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：S31、对连续纤维增韧陶瓷基复合材料进行断层CT扫描，智能识别连续纤维增韧陶瓷基复合材料内的所有自然孔隙，获得自然孔隙的图像及CT扫描孔隙数据；S32、提取CT扫描孔隙数据，并产生有限元模型，引入如下的孔隙量化描述函数：式中：x、y、z为孔隙笛卡尔坐标系中的坐标；Rx、Ry、Rz分别表示为x、y、z方向上的半径；同时根据如下的孔隙随机分布参数Dv来描述其分布特征和Ev来量化孔隙逼近效果；式中：Vp为孔隙的实际体积；Vf为拟合得到的实际体积；Vc为上述两个区域重合的体积；S33、通过基于水平集函数的自动建模方法，建立孔隙结构；S34、筛选出所有自然孔隙区域包含的所有四面体单元并记录；S35、将所有自然孔隙区域的四面体单元材料中的模量设为0。5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S4具体实现方法为：S41、通过基于水平集函数的自动建模方法，建立纤维丝尺度模型；S42、通过统计模型引入纤维丝尺度的孔隙特征，通过基于水平集函数的自动建模建立孔隙模型并将孔隙模型内的单元材料模量设为0。6.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S5具体实现方法为：S51、通过以下公式计算宏观尺度下所有单元的高斯点的应变；ε＝B·q式中：q为节点位移；B为应变矩阵；ε为应变；S52、将宏观尺度下计算得到的高斯点应变，作为纤维束尺度的边界条件，其对应公式为；式中：表示在x轴正方向且与x轴垂直的有限元模型外表面上节点x+所对应的位移矢量；表示在x轴负方向且与x轴垂直的有限元模型外表面上节点x-所对应的位移矢量；S53、将宏观尺度模型的所有高斯点分成N份，采用并行命令对N份高斯点同时进行处理，设置下层纤维束尺度的边界条件。7.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S6具体实现方法为：S61、通过以下公式计算纤维束尺度下所有单元的高斯点的应变；ε＝B·q式中：q为节点位移矩阵；B为应变矩阵；ε为应变；S62、将纤维束尺度下计算得到的高斯点应变，作为纤维丝尺度的边界条件，其对应公式为；式中：表示在x轴正方向且与x轴垂直的有限元模型外表面上节点x+所对应的位移矢量；表示在x轴负方向且与x轴垂直的有限元模型外表面上节点x-所对应的位移矢量；S63、将纤维束尺度模型的所有高斯点分成N份，采用并行命令对N份高斯点同时进行处理，设置下层纤维丝尺度的边界条件。8.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S7具体实现方法为：S71、引入并行计算用于计算位移；S72、利用GPU加速计算上一步中拆分的刚度矩阵，使用Cude库，对拆分出刚度矩阵建立相应的线程并进行计算；单元刚度矩阵计算公式如下：式中：Ke为单元刚度矩阵；B为应变矩阵；D为弹性矩阵；刚度矩阵组装计算公式如下：Kii＝∑(GTKeG)式中：Kii为拆分的刚度矩阵；G为单元节点的自由度与结构节点的自由度之间的转化矩阵；S73、根据节点位移矩阵q计算应变ε；ε＝B·q式中：q为节点位移矩阵；B为应变矩阵；ε为应变；S74、根据应变ε计算应力σ；σ＝Dε式中：σ为应力；S75、根据应力σ和应变ε分别计算平均应力和平均应；平均应力矢量计算公式为：式中：为平均应力矢量；平均应变矢量计算公式为：式中：为平均应变矢量；S76、将计算得到的平均应变带回纤维束尺度，计算位移增量；首先，将计算得到的平均应变带回纤维束尺度；式中：B为应变矩阵；为纤维丝尺度返回的平均应力；J为雅各比矩阵；h为权重系数；再计算位移增量；KΔU＝fext-fint式中：fext为力矩阵；ΔU为位移增量；最后计算纤维束尺度结合纤维丝尺度的结合位移矩阵；Un+1＝Un+ΔU式中：Un为位移矩阵；Un+1为结合位移矩阵。9.根据权利要求8所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S8具体实现方法为：S81、利用上一步计算得到的纤维束尺度下位移矩阵，通过遍历单元可得到每个单元的节点位移矩阵q；S82、根据节点位移矩阵q计算应变ε；ε＝B·q式中：q为节点位移矩阵；B为应变矩阵；ε为应变；S83、根据应变ε计算应力σ；σ＝Dε式中：σ为应力；S84、根据应力σ和应变ε分别计算平均应力和平均应；平均应力矢量计算公式为：式中：为平均应力矢量；平均应变矢量计算公式为：式中：为平均应变矢量；S85、将计算得到的平均应变带回纤维束尺度，计算位移增量；首先，将计算得到的平均应变带回宏观尺度；式中：B为应变矩阵；为纤维丝尺度返回的平均应力；J为雅各比矩阵；h为权重系数；再计算位移增量；KΔU＝fext-fint式中：fext为力矩阵；ΔU为位移增量；最后计算宏观尺度结合纤维束尺度的结合位移矩阵；Un+1＝Un+ΔU式中：Un为位移矩阵；Un+1为结合位移矩阵。10.根据权利要求9所述的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，其特征在于，所述步骤S9中的计算公式包括：损伤场函数方程：断裂韧性函数方程：g(d)＝(1-d)2相场有限元控制方程：[Kφ]{d(x)}n+1＝{F}n{Fd}n＝∫Ω2Hn[Nd]TdΩ位移场控制方程：([K1]+[K2]){u}n+1＝{F}n+1式中：d(x)为损失函数；g(d)表示断裂韧性函数。