本發(fā)明涉及金屬與復(fù)合材料界面增韌，具體為一種微米凸起結(jié)構(gòu)增強(qiáng)金屬與復(fù)材界面結(jié)合性能的有限元模擬方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工程應(yīng)用中，金屬與復(fù)合材料的結(jié)合是實現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的平滑界面設(shè)計在界面結(jié)合性能方面存在顯著不足，尤其在高載荷和復(fù)雜環(huán)境下容易發(fā)生脫粘和界面破壞。傳統(tǒng)方法主要依賴于化學(xué)鍵合和機(jī)械互鎖來提高界面結(jié)合性能，但這些方法往往在實際應(yīng)用中效果有限?；瘜W(xué)鍵合易受環(huán)境影響，如潮濕和腐蝕，而機(jī)械互鎖在高應(yīng)力下容易失效。此外，現(xiàn)有的界面增強(qiáng)技術(shù)，如表面處理和涂層，雖然在一定程度上改善了界面結(jié)合性能，但這些技術(shù)通常復(fù)雜、成本高，并且在長期使用中效果不穩(wěn)定。因此，尋找一種高效、穩(wěn)定且可行的界面增強(qiáng)方法成為研究的重點。

2、近年來，微米和納米尺度的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計逐漸引起了研究者的關(guān)注。通過在界面引入微米級別的凸起或凹坑結(jié)構(gòu)，可以顯著提高界面的機(jī)械鎖合效應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)界面結(jié)合性能。然而，現(xiàn)有研究大多集中在實驗室環(huán)境中的驗證，缺乏系統(tǒng)的有限元模擬方法來指導(dǎo)微米結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化。同時，現(xiàn)有研究通常只關(guān)注單一力學(xué)性能指標(biāo)，如剪切強(qiáng)度或斷裂韌性，未能全面評估不同材料組合下的綜合界面性能。此外，由于微米結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，如何在實際工程中實現(xiàn)高效且可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍是一個巨大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種系統(tǒng)的有限元模擬方法，以綜合評估界面能量密度、等效彈性模量和界面剪切強(qiáng)度等多項性能指標(biāo)，顯得尤為必要。這樣的方法不僅可以在設(shè)計階段預(yù)估和優(yōu)化界面性能，還能為實際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

3、在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種微米凸起結(jié)構(gòu)增強(qiáng)金屬與復(fù)材界面結(jié)合性能的有限元模擬方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種微米凸起結(jié)構(gòu)增強(qiáng)金屬與復(fù)材界面結(jié)合性能的有限元模擬方法，具體步驟包括：

4、步驟1：在金屬表面構(gòu)筑微米凸起結(jié)構(gòu)，設(shè)計為圓形凸起，以線性陣列方式排布，并使用凸起高度、凸起直徑和凸起間距三種參數(shù)來表征該結(jié)構(gòu)；

5、步驟2：選擇不同的金屬層材料和膠膜材料，在單搭接拉伸剪切模型中，上下兩邊為帶有微米凸起結(jié)構(gòu)的金屬層，中間為帶有與金屬層微米凸起結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的凹坑結(jié)構(gòu)的膠膜層；

6、步驟3：使用abaqus軟件，通過部件和裝配模塊建立初始有限元模型，其中包含帶有微米凸起結(jié)構(gòu)的金屬層和帶有互補(bǔ)凹坑結(jié)構(gòu)的膠膜層，在相同的約束和邊界條件下，建立一種等效的單列微米凸起界面單元條模型，該簡化模型在長度尺度上與實際模型相同，但寬度尺度縮小為僅包含一列微米凸起結(jié)構(gòu)排列；

7、步驟4：基于abaqus進(jìn)行單搭接拉伸剪切模擬，并依據(jù)采集到的參數(shù)，計算不同材料組合的界面能量密度、等效彈性模量和界面剪切強(qiáng)度；

8、步驟5：融合界面能量密度、等效彈性模量和界面剪切強(qiáng)度，生成綜合評估指數(shù)，依據(jù)綜合評估指數(shù)評估每種材料組合的界面結(jié)合性能，并使用綜合評估指數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，提升界面結(jié)合性能。

9、進(jìn)一步地，所述微米凸起結(jié)構(gòu)形狀為圓形凸起，并以線性陣列方式排布，并將凸起結(jié)構(gòu)表示為：(r,a,b)，其中，r為凸起高度，a為凸起直徑，b為凸起間距。

10、進(jìn)一步地，所述金屬層包括鈦合金板、鋁合金板和鎂合金板，所述膠膜層包括環(huán)氧樹脂膠膜、聚醚醚酮膠膜和聚苯乙烯膠膜。

11、進(jìn)一步地，所述使用abaqus軟件建立的初始有限元模型，相較于普通單搭接拉伸剪切試樣尺寸，該有限元模型在相同的約束和邊界條件下，建立一種等效的單列微米凸起界面單元條模型，其在長度尺度相同，而寬度尺度只有一列微米凸起結(jié)構(gòu)排列。

12、進(jìn)一步地，所述初始模型通過abaqus的部件和裝配模塊建立，詳細(xì)建模方法如下：

13、建立帶微米凸起結(jié)構(gòu)的金屬層時，先通過微米凸起結(jié)構(gòu)的直徑和高度計算得到其曲率半徑，以曲率半徑建模出一個球體，并基于微米凸起結(jié)構(gòu)的高度，將球體剪切掉多余部分后即可得到所需的微米凸起結(jié)構(gòu)，再根據(jù)微米凸起結(jié)構(gòu)的間距和直徑參數(shù)建立出具有金屬層厚度的最小長方體部件，將其與建立好的微米凸起結(jié)構(gòu)模型裝配合并，就可得到微米凸起結(jié)構(gòu)金屬層接頭的最小單元體，將單元體通過線性陣列功能得到所需要的具有微米凸起結(jié)構(gòu)陣列的金屬層的接頭部分模型，再通過部件模塊的拉伸功能即可得到單搭接拉伸剪切試樣的金屬層模型；

14、建立帶有與金屬層上微米凸起結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的微米凹坑結(jié)構(gòu)膠膜層時，基于剪切部件功能，利用上述建立的微米凸起結(jié)構(gòu)在具有膠膜層厚度的最小長方體部件上剪切出凹坑結(jié)構(gòu)，即可得到具有微米凹坑結(jié)構(gòu)的單元體，并通過線性陣列功能得到所需要的具有微米凹坑結(jié)構(gòu)陣列的膠膜層模型。

15、進(jìn)一步地，所述計算界面能量密度所依據(jù)的具體邏輯為：

16、在abaqus中建立幾何模型，所述模型為帶有微米凸起結(jié)構(gòu)的金屬層和帶有互補(bǔ)凹坑結(jié)構(gòu)的膠膜層，定義金屬層和膠膜層的彈性模量和泊松比，施加拉伸載荷，模擬界面斷裂過程，通過提取模擬數(shù)據(jù)，計算斷裂過程中界面所吸收的能量，即界面斷裂能，記作winterface，并測量模型中界面斷裂的實際面積，即界面積，記作s，依據(jù)如下公式計算界面能量密度：

17、

18、其中，γ為界面能量密度，winterface表示界面斷裂能，s為界面積；

19、所述計算等效彈性模量所依據(jù)的具體邏輯為：

20、在abaqus中建立幾何模型，所述模型為帶有微米凸起結(jié)構(gòu)的金屬層和帶有互補(bǔ)凹坑結(jié)構(gòu)的膠膜層，定義金屬層和膠膜層的彈性模量和泊松比，對模型施加拉伸載荷，模擬不同方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，提取模擬數(shù)據(jù)，計算等效彈性模量：

21、

22、其中，eeff為等效彈性模量，δσ為應(yīng)力變化，δ∈為應(yīng)變變化；

23、所述計算界面剪切強(qiáng)度所依據(jù)的具體邏輯為：

24、在abaqus中建立幾何模型，所述模型為帶有微米凸起結(jié)構(gòu)的金屬層和帶有互補(bǔ)凹坑結(jié)構(gòu)的膠膜層，定義金屬層和膠膜層的彈性模量和泊松比，對金屬層施加拉伸載荷，模擬膠膜層在界面處的剪切行為，模擬不同方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，提取模擬數(shù)據(jù)，依據(jù)如下公式計算界面剪切強(qiáng)度：

25、

26、其中，τinterface為界面剪切強(qiáng)度，fmax為模擬過程中記錄的最大剪切力，sinterface為在復(fù)合材料的金屬層和膠膜層之間的界面上，承受剪切力的實際面積。

27、進(jìn)一步地，所述生成綜合評估指數(shù)所依據(jù)的公式如下：

28、ibpi＝α*lnγ+β*lneeff+μ*lnτinterface+c

29、其中，ibpi為綜合評估指數(shù)，γ為界面能量密度，α為lnγ預(yù)設(shè)的比例系數(shù)，eeff為等效彈性模量，β為lneeff預(yù)設(shè)的比例系數(shù)，τinterface為界面剪切強(qiáng)度，μ為lnτinterface預(yù)設(shè)的比例系數(shù)，且μ>β>γ>0，c為常數(shù)修正指數(shù)；

30、基于得到的每種材料組合的綜合評估指數(shù)ibpi進(jìn)行比較，評估每種材料組合的界面結(jié)合性能。

31、進(jìn)一步地，所述基于abaqus的單搭接拉伸剪切有限元模型采用如下方法建立：

32、設(shè)置材料屬性參數(shù)，金屬層、膠膜層材料參數(shù)依據(jù)供應(yīng)商與文獻(xiàn)而定，并對其進(jìn)行界面創(chuàng)建，金屬層為均質(zhì)實體截面，膠膜層為粘性截面并使用牽引分離準(zhǔn)則；

33、按照金屬層、膠膜、金屬層的順序由下至上依次進(jìn)行裝配，并采用動力顯示分析方法來進(jìn)行有限元模擬計算，金屬層與膠膜層的連接界面之間賦予綁定約束；

34、將單搭接拉伸剪切試樣兩個金屬層末端的面與面上一點耦合，以便賦予其位移約束和查看支反力，在兩個耦合點上賦予位移約束，一個耦合點限制其所有自由度，另一個耦合點除了在長度方向上給與位移，其他方向的平動自由度與所有轉(zhuǎn)動自由度都限制；

35、金屬層采用c3d8r三維應(yīng)力單元，膠膜層采用coh3d8三維粘性單元，其中膠膜層的網(wǎng)格需要設(shè)置其鋪層方向與金屬層與膠膜層界面的法向相同。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

37、本發(fā)明通過在金屬表面構(gòu)筑微米凸起結(jié)構(gòu)，并結(jié)合abaqus有限元軟件進(jìn)行系統(tǒng)模擬，成功解決了傳統(tǒng)平滑界面在高載荷下容易脫粘和破壞的問題。具體而言，微米凸起結(jié)構(gòu)的引入顯著提高了界面的機(jī)械鎖合效應(yīng)和界面結(jié)合強(qiáng)度，實驗結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)能顯著提升界面剪切強(qiáng)度、等效彈性模量和界面能量密度。此外，通過建立等效的單列微米凸起界面單元條模型，簡化了計算過程，提高了模擬效率和精度。本發(fā)明還融合了三種關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，生成綜合評估指數(shù)，為材料組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了科學(xué)的評估依據(jù)。最終，本發(fā)明不僅顯著提升了界面結(jié)合性能，還為金屬與復(fù)合材料界面設(shè)計提供了一種高效且可行的優(yōu)化方法，具有重要的工程應(yīng)用價值。