(19)中华 人民共和国 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 202111578634.1 (22)申请日 2021.12.2 2 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 李起阳　谷军杰　曲绍兴　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 傅朝栋　张法高 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种预测Z-pin三维增强复合材料强度的方 法 (57)摘要 本发明公开了一种预测Z ‑pin三维增强复合 材料强度的方法， 属于复合材料力学性能分析方 法领域。 该方法基于针对Z ‑pin三维增强复合材 料层合板强度预测分析的复杂问题， 提出一种从 微观到宏观的多尺度分析方法来预测Z ‑pin三维 增强复合材料层合板的力学性能， 该方法物理机 制明确， 能较好地预测其强度和失效过程， 为其 制备工艺指导 提供有力的支撑 。 权利要求书1页 说明书11页 附图5页 CN 114267423 A 2022.04.01 CN 114267423 A 1.一种预测Z ‑pin三维增强复合材 料强度的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 在微观 尺度上， 建立Z ‑pin三维增强复合材 料层合板单层的单 胞几何构型； S2： 在介观尺度上， 基于微观尺度的所述单胞几何构型， 分别定义纤维的失效准则、 基 体的失效准则 及纤维基体之 间界面的失效准则， 在有限元中进一步将相 邻的多个单胞构建 为不同纤维体积分数分布以及取向的单胞模型， 对单胞模型施加周期性边界条件来求解纤 维束强度， 得到不同纤维体积分数分布以及取向下的应力应 变曲线； S3： 在宏观尺度上， 基于介观尺度的所述单胞模型进一步建立整个Z ‑pin三维增强复合 材料层合板的有限元模型， 并通过设置失效准则来预测Z ‑pin三维增强复合材料层合板中 设置不同微观结构对于宏观材 料强度的影响； 且在所述有限元模型中针对单胞内含 纤维区域、 富树脂区域和层间界面这三种不同区 域采用三种不同的材料模型、 失效准则以及损伤演化模型； 其中对于含纤维区域采用3D   Hashin准则， 对于富树脂区域采用最大拉压应力以及最大剪应力准则， 对于层间界面采用 最大二次名义应力准则。 2.根据权利要求1所述的一种预测Z ‑pin三维增 强复合材料强度的方法， 其特征在于， 所述周期性 边界条件的施加通过脚本的形式来实现。 3.根据权利要求1所述的一种预测Z ‑pin三维增 强复合材料强度的方法， 其特征在于， 所述有限元模型中材料的定义通过Abaqus  UMAT子程序 实现， 纤维变形区域材料方向通过 脚本赋予各个单 元。 4.根据权利要求1所述的一种预测Z ‑pin三维增 强复合材料强度的方法， 其特征在于， 建立所述有限元模 型后， 在设定的失效准则下可分析包含Z ‑pin直径、 针距以及偏转角度在 内的微观结构对宏观力学性能的影响。 5.根据权利要求1所述的一种预测Z ‑pin三维增 强复合材料强度的方法， 其特征在于， 该方法通过线性损伤演化假设， 用于实现Z ‑pin三维增强复合材料层合板单胞的失效演化 分析。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114267423 A 2一种预测Z ‑pin三维增强复合材料强度的方 法 技术领域 [0001]本发明属于复合材料力学性能分析方法领域， 具体涉及一种预测Z ‑pin三维增强 复合材料强度的方法。 背景技术 [0002]随着纤维增强复合材料在各个领域的广泛应用， 对其性能提出了更高的要求。 传 统复合材料层合板在其垂直方向的拉压性能以及层 间剪切性能较弱， 抗冲击性能较差， 严 重限制了复合材料的应用。 目前， 提升复合材料层合板层间性能的方式主要有三维编织、 缝 合增韧和 Z‑pin增强等。 相较于前两种办法， Z ‑pin增强技术工艺简便， 成本也更加低廉， 加 工效率较高， 现已广泛用于各 行业。 [0003]Z‑pin的植入带来了复合材料层合板局部结构的改变： 增加了z向的pin针， 同时引 起面内纤维的屈曲， 在pin针与周围的面内纤维之间形成富树脂区域。 Z ‑pin增强技术可以 提高复合材料 的抗冲击性， 从而改善复合材料层合板结构的性能， 但也存在降低层合板的 面内拉伸和压缩性能、 层合板的疲劳寿命等问题， 并且微结构的改变使得传统复合材料层 合板理论已不再适用， 单层均匀假设的有限元方法也已经无法预测Z ‑pin三维增强复合材 料层合板的宏观性能。 因此， 为了解决这些问题给建立一种基于物理机制且预测精度较高 的Z‑pin三维增强复合材 料层合板强度分析 方法带来了挑战。 发明内容 [0004]本发明的目的在 于针对Z‑pin三维增强复合材料层合板(ZPLs)强度预测分析的复 杂问题， 提出一种从微观到宏观的多尺度分析方法来预测Z ‑pin三维增强复合材料层合板 的力学性能， 该方法物理机制明确， 能较好地预测其 强度和失效过程， 为其制备工艺指导提 供有力的支撑 。 [0005]本发明的技 术方案具体如下： [0006]一种预测Z ‑pin三维增强复合材 料强度的方法， 其包括以下步骤： [0007]S1： 在微观 尺度上， 建立Z ‑pin三维增强复合材 料层合板单层的单 胞几何构型； [0008]S2： 在介观尺度上， 基于微观尺度的所述单胞几何构型， 分别定义纤维的失效准 则、 基体的失效准则及 纤维基体之间界面的失效准则， 在有限元中进一步将相邻的多个单 胞构建为不同纤维体积分数分布以及取向的单胞模型， 对单胞模型施加周期性边界条件来 求解纤维束强度， 得到不同纤维体积分数分布以及取向下的应力应 变曲线； [0009]S3： 在宏观尺度上， 基于介观尺度的所述单胞模型进一步建立整个Z ‑pin三维增强 复合材料层合板的有限元模型， 并通过设置失效准则来预测Z ‑pin三维增强复合材料层合 板中设置不同微观结构对于宏观材 料强度的影响； [0010]且在所述有限元模型 中针对单胞内含纤维区域、 富树脂区域和层间界面这三种不 同区域采用三种不同的材料模型、 失效准则以及损伤演化模型； 其中对于含纤维区域采用 3D Hashin准则， 对于富树脂区域采用最大拉压应力以及最大剪应力准则， 对于层间界面采说　明　书 1/11 页 3 CN 114267423 A 3