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一种 碳 纤维 复合材料界面相力学性能优化方法

阅读：787发布：2023-01-16

专利汇可以提供一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请属于材料结构力学领域，特别涉及一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，包括：步骤一、在ANSYS内建立有限元模型，将所述有限元模型的设计变量进行参数化；步骤二、使用ISIGHT读取所述有限元模型，并识别所述有限元模型内的设计变量；步骤三、在所述ISIGHT内选取优化算法，并定义所述优化算法的参数；步骤四、对所述优化模型进行优化迭代，得到优化结果；步骤五、对所述优化结果进行后处理。该方法证实了界面的性能可以通过粘接的方式得到控制，并进一步发现，界面性能对复合材料的各种性能影响的程度不同，复合材料的界面是可设计的，并能够得到一种综合性能的“平衡”或最优化。，下面是一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，包括：
步骤一、在ANSYS内建立有限元模型，将所述有限元模型的设计变量进行参数化；
步骤二、使用ISIGHT读取所述有限元模型，并识别所述有限元模型内的设计变量；
步骤三、在所述ISIGHT内选取优化算法，并定义所述优化算法的参数；
步骤四、对所述优化模型进行优化迭代，得到优化结果；
步骤五、对所述优化结果进行后处理。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述步骤一中的所述有限元模型的设计变量包括界面相各层的杨氏模量、界面相各层的半径以及界面相各层的厚度。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述优化算法包括邻域培养遗传算法。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述优化算法的参数包括个体编码长度、种群规模、遗传代数、交叉率以及变异率。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述步骤三还包括：
创建批处理文件，在所述批处理文件中定义所述有限元模型的位置以及输出优化结果文件的位置。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述后处理包括绘制目标变量随设计变量变换情况图、目标变量随优化运行次数变化图、计算支配函数以及最优解。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述步骤五后，还包括绘制所述碳纤维复合材料界面相各层拉伸弹性模量图。
8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，根据所述碳纤维复合材料界面相各层拉伸弹性模量图绘制出拉伸弹性模量随某根纤维的界面相厚度变化的曲线图。
9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，利用插值绘制出所述拉伸弹性模量随某根纤维的界面相厚度变化的曲线图。
10.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其特征在于，所述有限元模型为密排六边形体元的平面应力模型。

说明书全文

一种碳 纤维 复合材料界面相力学性能优化方法

技术领域

[0001] 本申请属于材料结构力学领域，特别涉及一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法。

背景技术

[0002] 人们在复合材料的细观结构与宏观性能间的关系这一关键性问题上进行了长期的研究和探索，力图用细观力学的原理来设计复合材料，推动新型复合材料的研制与发展，进而掌握材料增强、增韧的内在规律，特别是在近30年来，取得了非常大的研究成果。由此，材料的设计工作深入到更深的层次上，即材料的微结构设计。随着复合材料研究的深入，对于复合材料微结构的优化和设计受到越来越多人的重视。但是，大量的工作的目的是从界面相粘结性能的角度对界面进行改性，缺少碳纤维复合材料的界面相微结构进行优化设计的方法。

[0003] 因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。发明内容

[0004] 本申请的目的是提供了一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，以解决对碳纤维复合材料的界面相微结构进行优化设计。

[0005] 本申请的技术方案是：

[0006] 一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，包括：

[0007] 步骤一、在ANSYS内建立有限元模型，将所述有限元模型的设计变量进行参数化；

[0008] 步骤二、使用ISIGHT读取所述有限元模型，并识别所述有限元模型内的设计变量；

[0009] 步骤三、在所述ISIGHT内选取优化算法，并定义所述优化算法的参数；

[0010] 步骤四、对所述优化模型进行优化迭代，得到优化结果；

[0011] 步骤五、对所述优化结果进行后处理。

[0012] 根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤一中的所述有限元模型的设计变量包括界面相各层的杨氏模量、界面相各层的半径以及界面相各层的厚度。

[0013] 根据本申请的至少一个实施方式，所述优化算法包括邻域培养遗传算法。

[0014] 根据本申请的至少一个实施方式，所述优化算法的参数包括个体编码长度、种群规模、遗传代数、交叉率以及变异率。

[0015] 根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤三还包括：

[0016] 创建批处理文件，在所述批处理文件中定义所述有限元模型的位置以及输出优化结果文件的位置。

[0017] 根据本申请的至少一个实施方式，所述后处理包括绘制目标变量随设计变量变换情况图、目标变量随优化运行次数变化图、计算支配函数以及最优解。

[0018] 根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤五后，还包括绘制所述碳纤维复合材料界面相各层拉伸弹性模量图。

[0019] 根据本申请的至少一个实施方式，根据所述碳纤维复合材料界面相各层拉伸弹性模量图绘制出拉伸弹性模量随某根纤维的界面相厚度变化的曲线图。

[0020] 根据本申请的至少一个实施方式，利用插值绘制出所述拉伸弹性模量随某根纤维的界面相厚度变化的曲线图。

[0021] 根据本申请的至少一个实施方式，，所述有限元模型为密排六边形体元的平面应力模型。

[0022] 本申请至少存在以下有益技术效果：

[0023] 本申请提供的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，证实了界面的性能可以通过粘接的方式得到控制，进一步的研究发现，界面性能对复合材料的各种性能影响的程度不同，复合材料的界面是可设计的，并能够得到一种综合性能的“平衡”或最优化。附图说明

[0024] 图1是本申请的碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法的流程图；

[0025] 图2是本申请实施例中有限元模型示意图；

[0026] 图3是本申请实施例中有限元模型的分层状态示意图；

[0027] 图4是本申请实施例中有限元模型优化迭代后的目标变量的变化情况图；

[0028] 图5是本申请实施例中目标变量随优化运行次数变化图；

[0029] 图6是本申请实施例中有限元模型优化后的示意图；

[0030] 图7是本申请实施例中界面相各层拉伸弹性模量数据图；

[0031] 图8是本申请实施例中拉伸弹性模量各层界面相厚度变化的曲线图。

具体实施方式

[0032] 为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

[0033] 下面结合附图1至图8对本申请做进一步详细说明。

[0034] 如图1所示，本实施例中提供的是一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法，其步骤如下：

[0035] 步骤一、如图2所示，在ANSYS内建立有限元模型，将所述有限元模型的设计变量进行参数化；在该实施例中，所述有限元模型采用的是密排六边形体元，将密排六边形体元作为代表性体元进行分析，确定在对纤维分布进行优化时选择平面应力模型，目标变量为质量、等效应力以及YZ剪应力(轴向剪应力)，所述的设计变量包括面相各层的杨氏模量E、界面相各层的半径r以及界面相各层的厚度d，对所述有限元模型进行加载，使其轴向一端固支，另一端在Z+、Y-方向各加1.5％应变载荷。如图3所示，该实施例中，构建的有限元模型的界面相分为五层。

[0036] 步骤二、将所述有限元模型导出为APDL文件，使用ISIGHT读取所述的APDL文件，并识别其中所述有限元模型内的设计变量；

[0037] 步骤三、在所述ISIGHT内选取优化算法，并定义所述优化算法的参数；在本实施例中，所述优化算法选择领域培养算法(NCGA)，参数选取如下：

[0038]个体编码长度(bit) 种群规模遗传代数交叉率变异率
20 20 125 1.0 0.01

[0039] 将界面相各层杨氏模量作为设计变量，设计变量的取值区间如下表所示：

[0040]

[0041] 创建一个批处理脚本文件，在所述批处理脚本文件中定义所述APDL文件的位置以及输出优化结果文件的位置；

[0042] 步骤四、在所述ISIGHT内运行所述批处理脚本文件，并进行所述优化算法的迭代，得到所述优化结果文件内的数据；

[0043] 步骤五、对所述优化结果文件内的数据进行后处理，在该实施例中，所述后处理包括绘制目标变量随设计变量变换情况图(如图4所示)、目标变量随优化运行次数变化图(如图5所示)、计算支配函数以及最优解。

[0044] 在上述实施例中，有限元模型采用的是树脂基碳纤维增强复合材料，进行优化迭代后，质量、等效应力以及轴向剪应力可同时趋于一个很小范围的Pareto解系，该解系存在范围非常小，可近似认为三个目标变量同时达到最小。

[0045] 该Pareto解系如下表所示：

[0046]

[0047]

[0048] 在上述Pareto解系中可知，支配函数值最大的为14号设计点，14号设计点的几何外形如图6所示，关于14号设计点界面相各层模量如下表：

[0049]E1 185.482822036743
E2 140.688501167297
E3 96.6746053695679
E4 62.1631479263306
E5 46.7315139770508

[0050] 其中，14号设计点各纤维几何特征如下表(单位um)：

[0051]

[0052] 本实施例中，对所述有限元模型进行优化，对质量(mass)、等效应力(seqv)以及轴向应力(syz)进行了优化，优化效果如下表所示：

[0053]

[0054] 通过以上可知，在进行优化后，本实施例中的有限元模型有了显著的改善。

[0055] 在完成上述步骤后，针对优化后的14号设计点界面相各层模量绘制出如图7所示的界面相各层拉伸弹性模量图，并将每层的弹性模量在其中心处取值，利用插值绘出弹性模量各层界面相厚度变化的曲线图(如图8所示)，更方便直观的看到了树脂基碳纤维增强复合材料的界面相力学性能优化结果。

[0056] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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一种碳纤维复合材料界面相力学性能优化方法

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