一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法

申请号 CN202210102395.0

专利名称 一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法

专利类型 发明 

年份 2022 

公开号 CN114417634A

公开日 2022.04.29

主分类号 G06F30/20

分类号 G01N25/00  G01N3/08  G06F30/20  G06F111/10  G01N5/02  G01N17/00  G06F113/26  G06F119/04 

申请日 2022.01.27

申请人 河南农业大学  河南工业大学 

国家省市 河南 

联系地址 450000 河南省郑州市金水区农业路63号

发明人 慕文龙  陈湘林  孙育峰  张博强  王振锋  高献坤  胡源  王庆朋  周开塬  郭文翠 

代理人 高娇娜

代理机构 郑州豫乾知识产权代理事务所(普通合伙) 41161

优先权 CN202210102395(A) 20220127

内容摘要 一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法，包括以下步骤：1）对植物纤维/聚乳酸复合材料进行老化试验2）建立不同温度下的各老化材料吸水率随老化时间变化规律函数；3）建立不同温度下的各组分强度随老化时间变化规律函数；4）分别建立各组分强度与吸水率、温度之间关系函数；5）复合材料细观RVE模型建立；6）环境退化因子定义与引入；7）复合材料弹性性能计算；8）复合材料失效强度计算；9）宏观复合材料湿热老化性能预测。本发明充分考虑多尺度多因素的耦合作用，为绿色复合材料在实际应用提供老化后力学性能的预测模型及方法。

主权利要求 1.一种基于细观建模的植物纤维/聚乳酸复合材料湿热老化性能多尺度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备植物纤维/聚乳酸复合材料，分别对复合材料、聚乳酸基体和植物纤维进行老化试验，得到不同老化温度和老化时间的老化材料；2)对步骤1)中得到的老化材料进行吸水率测试，分别得到不同老化温度下植物纤维、聚乳酸基体和复合材料三者吸水率随老化时间变化的函数：M f (t,T)，M m (t,T)和M i (t,T)；3)对步骤1)中得到的老化材料进行强度测试，其中，对聚乳酸基体进行哑铃拉伸试验，对植物纤维进行单纤维拉伸试验，对复合材料进行单纤维拔出试验，分别得到不同温度下聚乳酸基体、植物纤维、复合材料三者强度随老化时间变化的函数：S m (t,T)，S f (t,T)和S i (t,T)；4)分别建立聚乳酸基体、植物纤维、复合材料各组分强度与吸水率、温度之间关系函数；通过拟合数据分别得到植物纤维、聚乳酸基体和纤维-基体界面三者强度随吸水率和老化温度变化的函数：S f (M,T)，S m (M,T)和t i (M,T)；5)复合材料细观RVE模型建立：从未老化植物纤维/聚乳酸复合材料中采样，进行X射线断层扫描，获得包含材料微观结构信息的断层灰度图像；对断层图像进行三维可视化分析，建立三维视图并完成纤维及聚乳酸基体的几何简化清理，将重构几何导入有限元分析软件，建立植物纤维/聚乳酸复合材料的细观RVE模型；6)环境退化因子定义与引入：编写植物纤维、聚乳酸基体、复合材料界面模拟单元本构关系，对复合材料细观RVE模型进行属性定义；构建基于强度变化函数的各组分环境退化因子(D)函数， 其中，S(M′,T′)是温度为T′，吸湿度为M′时的强度，S(M 0 ,T 0 )是材料初始强度；由上式可以得到纤维的退化因子函数D f (M,T)，聚乳酸基体的退化因子函数D m (M,T)和复合材料中纤维-基体界面的退化因子函数D i (M,T)；7)计算复合材料的弹性性能：引入退化因子，对各组分弹性性能参数进行修正；在周期性边界条件下，对RVE模型施加线性不相关位移载荷并进行仿真，获得不同温度和吸水率的宏观复合材料弹性性能；8)计算复合材料的失效强度：针对细观模型中的植物纤维、聚乳酸基体和复合材料界面三个组分,分别定义对应的初始失效准则和损伤扩展准则，引入退化因子，对失效参数进行修正，并进行数值模拟，得到不同吸水率和温度下的宏观复合材料失效强度；9)宏观复合材料的湿热老化性能预测：建立复合材料拉伸、三点弯曲试件宏观模型，将基于细观RVE模型仿真得到的依赖吸水率和温度变化的复合材料宏观弹性性能函数和失效强度函数，代入到宏观模型中，设置湿热环境进行有限元分析，对湿热老化工况下不同老化程度的植物纤维/聚乳酸复合材料力学性能进行预测。

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