Workbench-RVE（代表性体积单元）复合材料应用介绍

一、原理说明

     1、Workbench RVE（代表性体积单元）建模主要通过 Material Designer（材料设计器）工具实现，一种专用均质化工具，一个单胞模型，自动划分网格，对其施加周期边界条件，计算均质化的各向异性等效材料参数，如等效弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数等；

    2、用微观模型预测宏观性能。通过构建反映材料微观结构统计特征的小体积单元，再借助周期性边界条件或均质化技术，将微观力学行为推广到宏观尺度 。

二、应用

    1、研究不同纤维级别（如T300/T700/T800等）、不同树脂类型（环氧树脂/酚醛树脂/聚酰胺树脂等）、不同纤维体积分数（即不同树脂含量）对复合材料性能的影响；

    2、对于织物，不同剪切角对复合材料性能的影响；

三、RVE模型类型

四、关联应用

   1、调用材料参数

    用Material Designer生成的等效材料参数，关联其他模块，如ACP模块。

2、调用模型

    调用Material Designer生成的模型，关联Static structural仿真分析，将微观结构模型传递到Mechanical 进行力学性能仿真，即微观到介观的研究分析（织物）；

3、导出模型

    Material Designer 生成模型→ 导出为Stp/Iges→ 导入到SpaceClaim/DesignModeler → 导入到Mechanical。

五、Material Designer（材料设计器）

以UD Composite为例

1、调用Material Designer模块

2、新建材料参数

    进入Engineering Date新建材料参数，使用软件自带，增强体使用T300级碳纤维（各向异性），基体使用环氧树脂（各向同性）。

3、进入Mateial Desiner界面

（1）Geomerty（定义几何）   

    几何选择UD Composite

纤维体积分数0.5，即50%

Repeat count（重复次数）：指单元体重复的次数或周期数

Length ratio XZ（XZ 方向长度比）：X轴与Z 轴方向的长度比例为2:1

（2）Material(定义材料)   

    选择定义的基体和增强体

（3）Mesh（网格划分）   

    默认设置，单元尺寸一般≤纤维直径1/5（如纤维7μm，单元≤1.4μm）

（4）Setting（设置）

Type of Anisotropy（各向异性类型）

    Orthotropic（正交各向异性） 

    表示材料在三个互相垂直的方向上具有不同的物理性质，共9个独立弹性常数，每个方向上的弹性模量、泊松比等参数可以独立定义，这是复合材料的典型特征

Anisotropic（完全各向异性）

    材料在所有方向上的物理性质都不同，需要21个独立的弹性常数来描述，适用于更复杂的材料结构

 Use Periodic Boundary Conditions（使用周期性边界条件） 

  适用于代表性体积单元（RVE）分析，确保相邻单元间的连续性

（5）Sovle（求解）

有限元求解后计算等效弹性刚度矩阵、热膨胀系数、导热系数及强度数据等；

1、Constant Material Evaluation（恒定材料）

通过求解得出复合材料9个等效材料参数；

E1远大于E2和E3，说明材料在纤维方向刚度很高，这是单向复合材料的典型特征。E2=E3表明材料在横向上具有对称性。

G12=G31，符合正交各向异性材料的对称性要求。

2、Variable Material Evaluation（可变材料）

变量选择纤维体积分数，0.3-0.6:4，表示采样区间为 0.3至0.6，共包含4个采样点。

纤维体积分数越高，其复合材料力学性能越大；特别是E1；

方向工程参数随纤维体积分数变化曲线

五、Material Designer-Parameter参数化

    通过Parameter快速得到不同变量对其复合材料等效性能参数，其参数可关联其他模块，从而快速获取对宏观结构性能的影响规律；

方案1：不同级别纤维级对复合材料等效材料参数的影响

参数化输入：

变量：定义不同级别纤维

    E-Glass：玻纤

    Carbon Fiber (230 GPa)-T300/T400级，24T，低模量碳纤维

    Carbon Fiber (290 GPa)-T800，30T，中模量碳纤维

    Carbon Fiber (390GPa)-M40J；40T，高模量碳纤维

定量：同一纤维体积分数、树脂，纤维直径，单元重复次数，长宽比，网格大小等

参数化输出：9个工程常数及密度

方案2：不同纤维体积分数对复合材料等效材料参数的影响

参数化输入：

变量：定义不同纤维体积分数

定量：同一级别纤维，树脂、纤维直径，单元重复次数，长宽比，网格大小等

参数化输出：9个工程常数及密度

碳纤维体积分越高，复合材料等效力学性能越大；

需注意：一般复合材料预浸料表达用纤维克重（g/m2），树脂含量(%)，此处树脂含量为质量分数，仿真时需转化成体积分数；

方案3：对于织物，不同剪切角对复合材料等效材料参数的影响

   织物剪切角指复合材料织物在铺贴或成型过程中，经纬纱线偏离原始正交位置的角度，对复合材料性能有一定影响；

平纹织物9个等效工程参数，E1=E2，符合理论；

将剪切角设为变量，获取不同剪切角下等效工程参数，工程参数随剪切角变化规律；