(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 202210612409.3 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 许英杰　张胜男　张卫红　 (74)专利代理 机构 北京高沃 律师事务所 1 1569 专利代理师 霍苗 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑固化缺陷的Z-pin增韧复合材料强 度预测方法 (57)摘要 本发明属于复合材料强度预测技术领域， 具 体涉及一种考虑固化缺陷的Z ‑pin增韧复合材料 强度预测方法。 本发明提供的建立方法： 根据复 合材料预浸料铺层顺序和Z ‑pin针直径， 建立胞 体模型； 建立所述胞体模型在固化过程中树脂固 化反应动力学方程和传热方程； 建立胞体模型固 化过程中树脂时变粘弹性能表征模型和树脂热 膨胀性能表征模 型； 根据胞体模 型固化过程中树 脂的化学缩变变形与树脂固化度的关系、 粘弹变 形与树脂弹性模量的关系和热变形与树脂热膨 胀系数的关系， 建立所述Z ‑pin增韧复合材料固 化过程残 余应力分布模型。 本发 明定量模拟了固 化过程对于Z ‑pin增韧复合材料的影响， 准确建 立了固化残余应力模型。 权利要求书3页 说明书10页 附图2页 CN 114970170 A 2022.08.30 CN 114970170 A 1.一种Z‑pin增韧复合材料固化过程残余应力分布模型的建立方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： 根据复合材料预浸料铺层顺序和Z ‑pin针直径， 建立Z ‑pin增韧复合材料微观结构的胞 体模型； 建立所述胞体模型在固化过程中树脂固化反应动力学方程， 得到所述胞体模型固化过 程的树脂固化度； 建立所述胞体模型在固化过程中树脂固化反应放热的传热方程， 得到所述胞体模型固 化过程的树脂固化温度； 根据所述胞体模型在固化过程中树脂的粘弹性能随固化温度的变化， 建立胞体模型固 化过程中树脂时变粘弹性能表征模型， 得到所述胞体模型固化过程的树脂弹性模量； 根据所述胞体模型在固化过程中树脂的热膨胀性 能随固化度的变化， 建立胞体模型固 化过程中树脂热膨胀性能表征模型， 得到所述胞体模型固化过程的树脂热膨胀系数； 根据胞体模型固化过程中树脂的化学缩变变形与树脂 固化度的关系、 粘弹变形与树脂 弹性模量的关系和热变形与树脂热膨胀系数的关系， 建立所述Z ‑pin增韧复合材料固化过 程残余应力分布模型。 2.根据权利要求1所述的建立方法， 其特征在于， 所述胞体模型固化过程中树脂固化反 应动力学 方程如式1所示： 所述式1中， α 是树脂固化度， 是树脂固化反应速率， K是树脂固化反应速率常数， m、 n 分别是树脂固化反应级数； 所述胞体模型固化过程中树脂固化反应放热的传热 方程如式2所示： 所述式2中， λxx、 λyy和 λzz分别是所述胞体模型沿x轴、 y轴和z轴方向的热传导系数， T是 树脂固化温度， Q是树脂固化反应过程中的放热量， ρ 是胞体模型材料密度， C是胞体模型材 料比热容。 3.根据权利要求1所述的建立方法， 其特征在于， 所述胞体模型固化过程中树脂时变粘 弹性能表征模型如式3所示： 所述式3中， Er是树脂弹性模量， Er0是树脂未固化时的弹性模量， Er∞是树脂完全 固化时 的弹性模量， T*是树脂瞬时固化温度与树脂玻璃化转变温度的差值， TC1*、 TC2*分别是树脂玻权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114970170 A 2璃化转变开始时和完成时的临界温度。 4.根据权利要求1所述的建立方法， 其特征在于， 所述胞体模型固化过程中树脂热膨胀 性能表征模型如式4所示： βr＝(1‑α )βrr+α βrg  式4； 所述式4中， βr是树脂的热膨胀系 数， βrr、 βrg分别是树脂橡胶态和树脂玻璃态时的热膨 胀系数。 5.根据权利要求1所述的建立方法， 其特征在于， 所述Z ‑pin增韧复合材料固化过程残 余应力分布模型如式5所示： 所述式5中， σ 是Z ‑pin增韧复合材料固化过程残余应力， [C]是刚度矩阵， ε是树脂总变 形， εt是树脂热变形， β 是树脂热膨胀系数， εc是树脂化学收缩 变形， γ是化 学收缩系数； 所述 [C]按照式5 ‑1中[Cr]获得； 所述式5‑1中， 所述vr是树脂泊松比。 6.一种Z‑pin增韧复合材料固化过程残余应力条件下单胞模型中树脂 ‑Z‑pin针界面区 损伤分布模型的建立方法， 包括以下步骤： 根据权利 要求1～5任一项所述的建立方法获得Z ‑pin增韧复合材料固化过程残余应力 分布模型； 根据所述Z ‑pin增韧复合材料固化过程残余应力分布模型， 由最大应力损伤判定准则 和B‑K损伤演化准则建立所述Z ‑pin增韧复合材料固化过程残余应力条件下树脂 ‑Z‑pin针 界面区损伤分布模型。 7.根据权利要求6所述的建立方法， 其特征在于， 所述最大应力损伤判定准则如式6所 示： 所述式6中， d0 n、 d0 s和d0 t分别是沿主方向和两个剪切方向上的破坏强度临界值， dn、 ds和 dt分别是沿主方向和两个剪切方向上的所述残余应力。 8.根据权利要求6所述的建立方法， 其特 征在于， 所述B ‑K损伤演化 准则如式7 所示： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114970170 A 3