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一、導(dǎo)讀

連續(xù)纖維復(fù)合材料由于其剛度高、強(qiáng)度大、重量輕等特點(diǎn)。在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，多相結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的制造工藝帶來了材料和幾何上的不確定性。

近日，國(guó)際知名期刊《Polymer Composites》發(fā)表了浙江工業(yè)大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室的研究成果。該研究提出一種新的兩級(jí)代表性體積單元模型，用于在連續(xù)纖維復(fù)合材料中生成隨機(jī)纖維分布結(jié)構(gòu)。論文標(biāo)題為“Generation of two-level representative volume element model for uncertainty analysis of composite materials”。

二、內(nèi)容簡(jiǎn)介

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的兩級(jí)代表性體積單元(RVE)模型，該模型同時(shí)考慮了微觀尺度和中觀尺度的材料和幾何不確定性，通過ABAQUS、Python、iSight和Matlab軟件的集成來實(shí)現(xiàn)模擬仿真。因?yàn)閱蝹€(gè)RVE的邊界存在不確定性，使得大RVE(LRVE)中更多的幾何不確定性需要考慮。在構(gòu)建LRVE時(shí)，每個(gè)RVE都考慮了相鄰RVE的幾何邊界和不確定性，從而提高了RVE之間的連接性。最后，將LRVE的統(tǒng)計(jì)特性與其他算法進(jìn)行比較，驗(yàn)證所提出算法的效率和準(zhǔn)確性。

圖1 主RVE生成流程

圖2 3×3 RVE的LRVE自適應(yīng)生成

研究團(tuán)隊(duì)為了驗(yàn)證算法的有效性，采用了四個(gè)統(tǒng)計(jì)函數(shù)來驗(yàn)證LRVE的有效性，為了比較所提出的LRVE的統(tǒng)計(jì)空間特性，生成了纖維體積分?jǐn)?shù)為50％、60％和65％的LRVE微結(jié)構(gòu)。每個(gè)LRVE由3×3RVE組成，LRVE的長(zhǎng)度和寬度為90um。同時(shí)生成了總共10個(gè)微觀結(jié)構(gòu)。將這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果與使用隨機(jī)順序吸附(RSE)算法和完全空間隨機(jī)模式(CSR)算法的結(jié)果進(jìn)行比較。這些結(jié)果是通過最近鄰距離、最近鄰方向、Ripley的K函數(shù)和對(duì)分布函數(shù)進(jìn)行計(jì)算的。結(jié)果表明所提出的算法與RSE算法和CSR算法之間存在良好的一致性，即此文算法生成的纖維分布是隨機(jī)的。

圖3 不同纖維體積分?jǐn)?shù)下的最近鄰距離、最近鄰方向、Ripley的K函數(shù)和對(duì)分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較

隨后，該研究團(tuán)隊(duì)利用連續(xù)纖維復(fù)合材料的特性預(yù)測(cè)其有效彈性性能，驗(yàn)證了所開發(fā)的LRVE生成算法的有效性。材料的選擇為E-glass/ MY750/HY917/DY063，其微觀性能的不確定性類型為正態(tài)分布。結(jié)果表明，該方法預(yù)測(cè)不確定彈性性能的最大相對(duì)誤差僅為8.70%，均小于10%。與數(shù)值分析結(jié)果相比，此算法的預(yù)測(cè)值更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，模型分析得到的泊松比更接近于實(shí)驗(yàn)和其他數(shù)值方法得到的泊松比結(jié)果。

圖4 不同數(shù)量RVE下宏觀彈性性能的不確定性分析

三、小結(jié)

該研究提出了一種新的兩級(jí)RVE模型，用于在連續(xù)纖維復(fù)合材料中生成隨機(jī)纖維分布。主RVE采用自適應(yīng)纖維算法生成，加入不確定邊界條件。此外，建立了相鄰RVE之間的自適應(yīng)連接，從而開發(fā)了用于兩級(jí)LRVE的新自適應(yīng)生成算法。這一研究成果實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料的多尺度不確定性分析，并為構(gòu)建數(shù)值模型和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)連續(xù)纖維復(fù)合材料宏觀尺度不確定性提供了有效途徑。

原始文獻(xiàn)：

Peng Xiang, Jiang Haohao, Li Jiquan, Jia Weiqiang, Yi Bing, Wu Huaping, Jiang Shaofei. Generation of two-level representative volume element model for uncertainty analysis of composite materials. Polymer Composites, 2024. DOI:10.1002/pc.28831

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/pc.28831