(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211060935.X (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 戴婷　李斌　韦彦靖　 (74)专利代理 机构 长沙市融智专利事务所(普 通合伙) 43114 专利代理师 张伟 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06F 17/16(2006.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种纤维复合材 料弹性性能的预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种纤维复合材料弹性性能 的预测方法。 该方法将纤维材料的细观结构参数 与宏观性能关联， 通过等效RVE刚度矩阵反应纤 维复合材料在应力方向上的刚度系数， 并基于此 判断纤维复合材料的弹性性能。 本发 明所提供的 预测方法采用统一定义的弯曲度参数和方向角 参数描述大量纤维的有序或无序形态， 利用弯曲 度分布的均值和方向角分布的方差构造聚集度 函数定量描述纤维聚集状态和团聚体含量， 适用 于任意曲线纤维分布状态下的复合材料弹性性 能预测。 进一步的， 该方法采用概率函数表征高 弯曲度纤维聚集缠绕的可能性， 更真实地反映出 曲线纤维在基体中的分布状态， 提高了曲线纤维 复合材料性能预测模型的构建效率和实用性。 权利要求书4页 说明书7页 附图4页 CN 115410668 A 2022.11.29 CN 115410668 A 1.一种纤维复合材 料弹性性能的预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 1)根据纤维复合材料的显微观测图像获取纤维分布特征并进行参数表达， 得到细观结 构参数； 2)根据纤维复合材料的显微观测图像建立纤维复合材料的等效RVE模型， 所述等效RVE 模型由等效增强相cl模型和等效基 体em模型组成； 3)将细观结构参数应用于等效RVE模型， 并通过坐标变换和矩阵计算建立等效增 强相 和等效基 体的刚度矩阵； 4)将等效增 强相和等效基体的刚度矩阵通过混合法则获得等效RVE的刚度矩阵， 矩阵 中任一元 素即为纤维复合材 料对应方向上的刚度系数。 2.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料弹性性 能的预测方法， 其特征在于： 所述细 观结构参数包括： 纤维体积分数Vf、 纤维弯曲度取值λ1, λ2,..., λi,..., λn及其分布规律Λ ( λ )、 纤维弯曲度分布规律均值Mλ、 纤维方向角取值θ1, θ2,..., θi,..., θm及其分布规律Θ ( θ )、 方向角分布规 律方差Dθ、 不考虑纤维压缩时必然发生团聚的临界 纤维体积分数 3.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料弹性性 能的预测方法， 其特征在于： 所述纤 维复合材料包括团聚体和未团聚体； 所述 团聚体包括 团聚纤维和相 应区域内的基体； 所述 未团聚体包括未团聚纤维和相应区域内的基 体。 4.根据权利要求3所述的一种纤维复合材料弹性性 能的预测方法， 其特征在于： 所述团 聚体的等效RVE模型为等效增强相cl模型； 所述未团聚体的等效RVE模型为等效基体em模 型。 5.根据权利要求4所述的一种纤维复合材料弹性性 能的预测方法， 其特征在于： 所述等 效增强相cl模型的建立过程包括： ①以 为控制参数， 构造与纤维含量相关的纤维团聚概 率函数， 其过程 为： 式1： ②以Mλ和Dθ为控制参数， 构造与纤维含量相关的纤维聚集度函数， 其过程 为： 式2： ζcl＝ζcl(Vf； Mλ,Dθ)； ③根据纤维团聚概率函数和聚集度函数， 确定等效增强相在复合材料等效RVE中的体 积含量， 其过程 为： 式3： Vcl＝gcl·ζcl； 式1～3中： Vf为纤维体积分数， 量纲为1； 为团聚的临界纤维体积分数， 量纲为1； Mλ为 弯曲度分布的均值， 量纲为1； Dθ为方向角分布的方差， 量纲为1。 6.根据权利要求4所述的一种纤维复合材料弹性性 能的预测方法， 其特征在于： 所述等 效增强相cl模型的刚度矩阵的建立过程包括： ①确定单一弯曲度( λ＝ λi)单向( θ＝0)等效增强相的弹性 常数， 并利用坐标变 换获得单 一弯曲度( λ＝ λi)偏轴单向( θ ＝θj)等效增强相的刚度矩阵Qcl( λi, θj)， 主要过程为： 式4： 式5： 式6： 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115410668 A 2式7： 式8： 式9： 式10： ②将弯曲度和方向角的所有取值分别代入单一弯曲度偏轴单向等效增强相刚度矩阵 并加权求和， 得到该纤维分布特 征下等效增强相刚度矩阵， 主 要过程为： 式11： 式4～11中： λi为任一弯曲度参数， 量纲为1； θj为任一方向角参数， 量纲为1； Ef1、 Em、 Gf和 Gm分别为纤维纵向弹性模量、 基体弹性模量、 纤维剪切模量和基体剪切模量， 量刚均为MT‑ 2L‑1； μf和 μm分别为纤维泊松比和基 体泊松比， 量纲均为1。 7.根据权利要求4所述的一种纤维复合材料弹性性 能的预测方法， 其特征在于： 所述等 效基体em模型的建立过程 为： 确定等效基 体在复合材 料等效RVE中的体积含量， 其过程 为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115410668 A 3