本發(fā)明是關(guān)于高壓儲(chǔ)氫氣瓶制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶正廣泛應(yīng)用于航空航天、壓力容器、新能源汽車等高新技術(shù)領(lǐng)域。復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的確定是氣瓶最為重要的方面，直接與復(fù)合材料氣瓶的優(yōu)化設(shè)計(jì)密切相關(guān)，但是現(xiàn)有復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式確定，這種方法代價(jià)昂貴且效率低下。

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，采用有限元方法預(yù)測(cè)復(fù)合材料氣瓶爆破壓力逐漸興起，但是復(fù)合材料氣瓶的有著復(fù)雜的失效模式，比如內(nèi)膽塑性變形、纖維斷裂、基體開(kāi)裂以及纖維/基體界面分離，因此需要可靠的失效理論和損傷演化方法預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力。

復(fù)合材料氣瓶的復(fù)合材料纏繞層具有明顯的各向異性，目前預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力主要是基于Tsai-Wu、Hashin、Chang-Chang等唯象宏觀的失效準(zhǔn)則和相應(yīng)的損傷演化方式，這些失效準(zhǔn)則需要經(jīng)驗(yàn)確定氣瓶的失效模式和相應(yīng)的材料參數(shù)，因此難以準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力。相反，從組分角度出發(fā)的微觀力學(xué)失效理論可以準(zhǔn)確的判別失效模式，需要確定的材料參數(shù)更少，因此提出一種基于宏-微觀多尺度模型預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的方法十分重要。

復(fù)合材料及復(fù)合材料氣瓶的計(jì)算分析一般可采用通用的有限元軟件ABAQUS進(jìn)行，但是通過(guò)ABAQUS軟件自帶的模塊僅可以基于二維Hashin唯象宏觀失效準(zhǔn)則對(duì)復(fù)合材料氣瓶漸進(jìn)失效分析，但無(wú)法直接采用宏-微觀多尺度模型預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，利用ABAQUS用戶子程序界面提供一種基于宏-微觀多尺度模型預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的方法。該方法從纖維和基體組分角度判別纖維、基體的損傷以及更新應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效的分析，求取爆破壓力。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是：提供一種預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的方法，包括下述過(guò)程：

一、建立含變厚度變角度封頭的纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶有限元模型；

二、基于微觀力學(xué)對(duì)復(fù)合材料建立多尺度模型；

三、利用(使用FORTRAN語(yǔ)言編寫)ABAQUS-UMAT即ABAQUS用戶靜態(tài)材料子程序模塊，基于多尺度模型對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效分析，求取爆破壓力；

所述過(guò)程一中，建立含變厚度變角度封頭的纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶有限元模型：基于ABAQUS建立復(fù)合材料氣瓶部件，分別對(duì)內(nèi)膽和復(fù)合材料纖維層設(shè)置材料屬性和劃分網(wǎng)格，再用ABAQUS-ASSEMBLY模塊對(duì)其組裝之后設(shè)置分析步、變量輸出、加載方式以及邊界條件；

所述過(guò)程二具體包括下述步驟：

步驟(1)：建立微觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及求取應(yīng)力放大系數(shù)分量：

(a)微觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中，M_σ為應(yīng)力放大系數(shù)，M_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)為應(yīng)力放大系數(shù)的分量，σ為微觀應(yīng)力，為宏觀應(yīng)力。

(b)獲取應(yīng)力放大系數(shù)分量；

為了獲得應(yīng)力放大系數(shù)，本發(fā)明建立正六面體的復(fù)合材料微觀胞元，其尺寸為針對(duì)三個(gè)正方向(1,2,3)和三個(gè)剪切方向(4,5,6)六種加載情況，分別對(duì)胞元施加單位應(yīng)力載荷，得到微觀胞元的應(yīng)力分布。其中微觀胞元每點(diǎn)的應(yīng)力分布即為該點(diǎn)的應(yīng)力放大系數(shù)。為了簡(jiǎn)化，分別從微觀胞元的纖維和基體上選取若干點(diǎn)，計(jì)算出纖維和基體的應(yīng)力放大系數(shù)并且存儲(chǔ)在參數(shù)文件中。

步驟(2)：建立宏觀應(yīng)力和應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系。

其中，和為宏觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)變。C_d為含損傷剛度矩陣，d_f和d_m為纖維損傷變量和基體損傷變量。為彈性剛度矩陣分量，由材料彈性模量和泊松比等材料參數(shù)計(jì)算得到。

步驟(3)：建立基于微觀力學(xué)的纖維和基體失效判據(jù)：

(c)針對(duì)纖維組分，損傷初始判據(jù)為：

-C_f＜σ_f＜T_f；

其中，T_f和C_f為纖維拉伸強(qiáng)度和纖維壓縮強(qiáng)度，σ_f為縱向方向的纖維微觀應(yīng)力。

(d)針對(duì)基體組分，損傷初始判據(jù)為：

其中，T_m和C_m分別為基體拉伸和壓縮強(qiáng)度，σ_i(i＝1,2,3,4,5,6)為六個(gè)微觀應(yīng)力分量，I₁和σ_vm分別為第一微觀應(yīng)力不變量和微觀Mises應(yīng)力。

步驟(4)：采用參數(shù)化折減剛度矩陣的方法，對(duì)滿足失效準(zhǔn)則的單元應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力更新。

當(dāng)纖維達(dá)到初始失效判據(jù)時(shí)，將d_f設(shè)為1，當(dāng)基體達(dá)到初始失效判據(jù)時(shí)，將d_m設(shè)為1。

所述過(guò)程三具體包括下述步驟：

步驟(5)：通過(guò)ABAQUS用戶子程序UMAT實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，ABAQUS-UMAT是由應(yīng)變驅(qū)動(dòng)，把纖維損傷和基體損傷變量定為UMAT的狀態(tài)變量。隨著載荷增加，首先讀取材料信息、應(yīng)力放大系數(shù)和狀態(tài)變量值SDV，根據(jù)步驟(2)計(jì)算宏觀應(yīng)力，再由步驟(1)計(jì)算微觀應(yīng)力，將計(jì)算的微觀應(yīng)力代入步驟(3)判別纖維和基體是否進(jìn)入損傷，如果沒(méi)有進(jìn)入損傷，則直接進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的更新；如果進(jìn)入損傷，則根據(jù)步驟(4)對(duì)單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行折減，使用折減的單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的更新，同時(shí)將損傷數(shù)值存儲(chǔ)為狀態(tài)變量SDV；

步驟(6)：將過(guò)程一建立的模型主文件和步驟(5)建立的ABAQUS-UMAT用戶子程序聯(lián)合，使用ABAQUS/Standard模塊對(duì)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效分析，得到爆破壓力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用ABAQUS用戶子程序界面來(lái)數(shù)值實(shí)現(xiàn)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的預(yù)測(cè)方法，該方法從微觀角度對(duì)纖維和基體組分的損傷進(jìn)行判別以及對(duì)損傷變量進(jìn)行計(jì)算，相比于傳統(tǒng)的唯象宏觀失效準(zhǔn)則，該方法能更準(zhǔn)確的確定復(fù)合材料的失效模式，需要確定的材料參數(shù)則更少，因此能高效準(zhǔn)確的對(duì)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效分析，獲取爆破壓力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶有限元模型圖。

圖2為實(shí)施例中建立的微觀胞元及用于應(yīng)力放大系數(shù)計(jì)算的若干點(diǎn)分布圖。

圖3為本發(fā)明對(duì)所提出的基于宏-微觀多尺度模型的UMAT數(shù)值實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖4為實(shí)施例中纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)壓-位移示意圖。

具體實(shí)施方式

首先需要說(shuō)明的是，本發(fā)明是計(jì)算機(jī)技術(shù)在高壓儲(chǔ)氫氣瓶領(lǐng)域的一種應(yīng)用。在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，會(huì)涉及到多個(gè)軟件功能模塊的應(yīng)用。申請(qǐng)人認(rèn)為，如在仔細(xì)閱讀申請(qǐng)文件、準(zhǔn)確理解本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理和發(fā)明目的以后，在結(jié)合現(xiàn)有公知技術(shù)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以運(yùn)用其掌握的軟件編程技能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。凡本發(fā)明申請(qǐng)文件提及的均屬此范疇，申請(qǐng)人不再一一列舉。

一種預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶爆破壓力的方法，其特征在于，包括下述過(guò)程：

一、建立含變厚度變角度封頭的纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶有限元模型；

二、基于微觀力學(xué)對(duì)復(fù)合材料建立多尺度模型；

三、利用FORTRAN語(yǔ)言編寫的ABAQUS-UMAT即用戶靜態(tài)材料子程序模塊，基于多尺度模型對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效分析，求取爆破壓力；

所述過(guò)程一具體包括下述步驟：基于ABAQUS建立復(fù)合材料氣瓶部件，分別對(duì)內(nèi)膽和復(fù)合材料纖維層設(shè)置材料屬性和劃分網(wǎng)格，再用ABAQUS-ASSEMBLY模塊對(duì)其組裝之后設(shè)置分析步、變量輸出、加載方式以及邊界條件；

所述過(guò)程二具體包括下述步驟：

步驟(1)：建立微觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及求取應(yīng)力放大系數(shù)分量：

(a)微觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中，M_σ為應(yīng)力放大系數(shù)，M_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)為應(yīng)力放大系數(shù)的分量，σ為微觀應(yīng)力，為宏觀應(yīng)力；

(b)獲取應(yīng)力放大系數(shù)分量；

為獲得應(yīng)力放大系數(shù)，建立正六面體的復(fù)合材料微觀胞元，其尺寸為針對(duì)三個(gè)正方向(1,2,3)和三個(gè)剪切方向(4,5,6)六種加載情況，分別對(duì)胞元施加單位應(yīng)力載荷，得到微觀胞元的應(yīng)力分布；其中微觀胞元每點(diǎn)的應(yīng)力分布即為該點(diǎn)的應(yīng)力放大系數(shù)；為了簡(jiǎn)化，分別從微觀胞元的纖維和基體上選取若干點(diǎn)，計(jì)算出纖維和基體的應(yīng)力放大系數(shù)并且存儲(chǔ)在參數(shù)文件中；

步驟(2)：建立宏觀應(yīng)力和應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系：

其中，和為宏觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)變；C_d為含損傷剛度矩陣，d_f和d_m為纖維損傷變量和基體損傷變量；為彈性剛度矩陣分量，由材料彈性模量和泊松比等材料參數(shù)計(jì)算得到；

步驟(3)：建立基于微觀力學(xué)的纖維和基體失效判據(jù)：

(c)針對(duì)纖維組分，損傷初始判據(jù)為：

-C_f＜σ_f＜T_f；

其中，T_f和C_f為纖維拉伸強(qiáng)度和纖維壓縮強(qiáng)度，σ_f為縱向方向的纖維微觀應(yīng)力；

(d)針對(duì)基體組分，損傷初始判據(jù)為：

其中，T_m和C_m分別為基體拉伸和壓縮強(qiáng)度，σ_i(i＝1,2,3,4,5,6)為六個(gè)微觀應(yīng)力分量，I₁和σ_vm分別為第一微觀應(yīng)力不變量和微觀Mises應(yīng)力；

步驟(4)：采用參數(shù)化折減剛度矩陣的方法，對(duì)滿足失效準(zhǔn)則的單元應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力更新：

當(dāng)纖維達(dá)到初始失效判據(jù)時(shí)，將d_f設(shè)為1，當(dāng)基體達(dá)到初始失效判據(jù)時(shí)，將d_m設(shè)為1；

所述過(guò)程三具體包括下述步驟：

步驟(5)：通過(guò)ABAQUS用戶子程序UMAT實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，ABAQUS-UMAT是由應(yīng)變驅(qū)動(dòng)，把纖維損傷和基體損傷變量定為UMAT的狀態(tài)變量；隨著載荷增加，首先讀取材料信息、應(yīng)力放大系數(shù)和狀態(tài)變量值SDV，根據(jù)步驟(2)計(jì)算宏觀應(yīng)力，再由步驟(1)計(jì)算微觀應(yīng)力，將計(jì)算的微觀應(yīng)力代入步驟(3)判別纖維和基體是否進(jìn)入損傷，如果沒(méi)有進(jìn)入損傷，則直接進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的更新；如果進(jìn)入損傷，則根據(jù)步驟(4)對(duì)單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行折減，使用折減的單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的更新，同時(shí)將損傷數(shù)值存儲(chǔ)為狀態(tài)變量SDV；

步驟(6)：將過(guò)程一建立的模型主文件和步驟(5)建立的ABAQUS-UMAT用戶子程序聯(lián)合，使用ABAQUS/Standard模塊對(duì)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效分析，得到爆破壓力。

以下用基于上述過(guò)程應(yīng)用的具體實(shí)施例子來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)效果：

在ABAQUS/CAE中建立纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的有限元模型，如圖1所示。其中復(fù)合材料層的鋪層方式為：[90°/±14°/90°/±14°/90°/±14°/90°]，環(huán)向?qū)拥膹?fù)合材料厚度為0.32mm，螺旋層的復(fù)合材料厚度為0.18mm，總共分為10個(gè)單層，均用減縮積分三維實(shí)體單元C3D8R來(lái)仿真，為了充分利用對(duì)稱性，復(fù)合材料氣瓶建立四分之一模型并且施加合適的邊界條件。

利用ABAQUS/Standard計(jì)算復(fù)合材料氣瓶的漸進(jìn)失效，如圖2采用微觀胞元計(jì)算各點(diǎn)的應(yīng)力放大系數(shù)(纖維用F表示，基體用M表示)并存儲(chǔ)到參數(shù)文件當(dāng)中，如圖3利用用戶子程序UMAT首先讀取材料信息、應(yīng)力放大系數(shù)和狀態(tài)變量值SDV計(jì)算宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力，再判別纖維和基體損傷狀態(tài)和計(jì)算損傷變量，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變更新。將模型主文件和ABAQUS-UMAT用戶子程序聯(lián)合，使用ABAQUS/Standard模塊對(duì)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行漸進(jìn)失效分析，得到爆破壓力。

圖4分別為纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)壓-位移示意圖，數(shù)值計(jì)算的爆破壓力為71MPa,而實(shí)驗(yàn)爆破壓力為69MPa，可見(jiàn)與試驗(yàn)值比較準(zhǔn)確的吻合。所以本發(fā)明提出的宏-微觀多尺度模型可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力。

本發(fā)明在ABAQUS軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行用戶子程序的開(kāi)發(fā)，提出的宏-微觀多尺度模型相比于傳統(tǒng)的唯象宏觀失效準(zhǔn)則，該方法能更準(zhǔn)確的確定復(fù)合材料的失效模式，需要確定的材料參數(shù)更少，能高效且較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)合材料氣瓶的爆破壓力，為提升輕量化強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平提供了技術(shù)支撐。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。