本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機(jī)本構(gòu)模型的復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料是由兩種以上材料組合而成的新材料，憑借其優(yōu)異的物理化學(xué)性能得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在防撞、防彈和防爆等方面具有巨大優(yōu)勢，在汽車制造、飛機(jī)制造、工程防護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；復(fù)合材料的抗彈性能設(shè)計(jì)是復(fù)合材料防護(hù)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，隨著復(fù)合材料在重大工程設(shè)施和裝備設(shè)備中的不斷應(yīng)用，復(fù)合材料抗彈性能設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求不斷凸顯。

2、復(fù)合材料的厚度對抗彈性能的影響很大，一般來說，復(fù)合材料越厚，其抗彈性能越強(qiáng)，但厚度增加的同時(shí)，復(fù)合材料的重量和制造成本也會(huì)大幅提升。因此，在滿足抗彈性能要求的前提下盡量減小復(fù)合材料的厚度是復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。復(fù)合材料設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是結(jié)合理論和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造出復(fù)合材料板，二是開展試驗(yàn)驗(yàn)證并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這個(gè)設(shè)計(jì)過程對設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依耐性很強(qiáng)，在不利情況下可能需要經(jīng)歷多次迭代才能設(shè)計(jì)出滿足要求的復(fù)合材料，存在成本高，速度慢的問題，并且在進(jìn)行抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候往往還要充分考慮材料抗彈性能的可靠性，而半經(jīng)驗(yàn)的方法在可靠度上無法量化，基于試驗(yàn)的方法又成本昂貴，這對復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于隨機(jī)本構(gòu)模型的復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法通過建立復(fù)合材料的隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，并通過二次開發(fā)使用該本構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法可以降低設(shè)計(jì)過程對經(jīng)驗(yàn)的依賴，減少侵徹試驗(yàn)次數(shù)和成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)出滿足抗彈指標(biāo)和可靠度要求的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于隨機(jī)本構(gòu)模型的復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

4、s1、制備復(fù)合材料試件開展彈道沖擊試驗(yàn)，記錄試件的入射速度vi-剩余速度vr；

5、s2、建立復(fù)合材料動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，對照試驗(yàn)開展彈道沖擊數(shù)值模擬，通過對比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本構(gòu)模型參數(shù)基準(zhǔn)值的合理性；

6、s3、建立隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，通過數(shù)值模擬標(biāo)定各個(gè)試驗(yàn)試件的非均質(zhì)參數(shù)

7、s4、建立抗彈性能可靠度參數(shù)φ的概率密度函數(shù)；

8、s5、按抗彈設(shè)計(jì)可靠性要求確定抗彈性能可靠性參數(shù)φx和本構(gòu)模型非均質(zhì)參數(shù)

9、s6、按抗彈指標(biāo)要求開展數(shù)值模擬，對復(fù)合材料板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

10、進(jìn)一步的，在步驟s2中，所述的動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型的強(qiáng)度為f，楊氏模量為e，使用動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子來考慮應(yīng)變率效應(yīng)，彈性模量動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子為difc，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子為diff，本構(gòu)關(guān)系為σ＝eε(1-d)difc，動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型選用線性損傷退化模式，使用斷裂能g控制材料的損傷演化，斷裂能大小、損傷起始等效應(yīng)力和損傷起始等效位移應(yīng)變率相關(guān)，損傷演化階段的等效位移不變，斷裂能的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子也為diff。強(qiáng)度可以表示為式(1)，彈性模量可以表示為式(2)，隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型的方程式可以表示為式(3)。

11、

12、σ＝e×ε×(1-d)×difc?3

13、動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型還需選用適宜的損傷準(zhǔn)則和損傷演化規(guī)則。失效準(zhǔn)則的選取和具體材料性質(zhì)有關(guān)。材料損傷演化階段會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變局部化的問題，可能會(huì)導(dǎo)致分析得到的復(fù)合材料抗沖擊能力隨網(wǎng)格的細(xì)化而降低。引進(jìn)單元特征長度，選用線性損傷退化模式，用斷裂能控制材料的損傷演化，來降低有限元分析的網(wǎng)格依賴性。假設(shè)斷裂能大小、損傷起始等效應(yīng)力和損傷起始等效位移應(yīng)變率相關(guān)，損傷演化階段的等效位移不變。此時(shí)，斷裂能可以表示為式(4)，動(dòng)態(tài)損傷起始應(yīng)變可以表示為式(5)，材料失效時(shí)的等效應(yīng)變可以表示為式(6)，動(dòng)態(tài)損傷因子可以表示為式(7)。

14、

15、ε0d＝ε0·(diff/difc)5

16、εfd＝εf+ε0·(diff/difc-1)?????6

17、

18、進(jìn)一步的，在步驟s2中，所述的動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型通過二次開發(fā)在有限元軟件中進(jìn)行使用，當(dāng)有限元模擬彈丸沖擊復(fù)合材料板所得剩余速度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近時(shí)，選用的本構(gòu)參數(shù)基準(zhǔn)值合理，將此時(shí)的本構(gòu)參數(shù)作為隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型的基準(zhǔn)值。

19、進(jìn)一步的，在步驟s3中，所述的隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型基于能量概率模型建立，能量概率模型將抗彈性能的不確定性轉(zhuǎn)換為本構(gòu)參數(shù)的不確定性，大幅減少獲取材料本構(gòu)模型不確定性參數(shù)的成本；所述能量概率模型使用統(tǒng)一的參數(shù)將應(yīng)變能、斷裂能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使強(qiáng)度、彈性模量、斷裂能之間滿足線性關(guān)系，當(dāng)當(dāng)吸收的能量變?yōu)樵瓉淼膋倍時(shí)，彈性應(yīng)變能變化為kee，斷裂能變化為kg。此時(shí)，強(qiáng)度正好為kf，彈性模量正好為ke。復(fù)合材料微細(xì)觀組分力學(xué)性能的不確定性、微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不確定性、制作過程中隨機(jī)缺陷的不確定性等都會(huì)對復(fù)合材料的抗彈性能產(chǎn)生影響。數(shù)值模擬中可以用非均質(zhì)性來表征材料性能的離散型，假設(shè)力學(xué)性能的等效不確定性滿足半正態(tài)分布函數(shù)，使用統(tǒng)一的概率參數(shù)對強(qiáng)度、模量、斷裂能的不確定性進(jìn)行描述。隨機(jī)數(shù)x滿足標(biāo)準(zhǔn)差為1的標(biāo)準(zhǔn)半正態(tài)分布，任意積分點(diǎn)的力學(xué)性能為x，σx是x的分布函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，通過試驗(yàn)測得的強(qiáng)度、模量、斷裂能等力學(xué)性能基準(zhǔn)值為e(x)，并且定義非均質(zhì)參數(shù)通過可以得到力學(xué)性能參數(shù)滿足平均值μ＝e(x)，標(biāo)準(zhǔn)差的折疊正態(tài)分布的有限元模型。

20、進(jìn)一步的，在步驟s3中，所述的隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型通過二次開發(fā)在商業(yè)有限元軟件中使用模擬彈丸沖擊復(fù)合材料板，數(shù)值模擬設(shè)置的入射速度和實(shí)驗(yàn)一致，調(diào)整非均質(zhì)參數(shù)直至模擬得到的剩余速度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，此時(shí)輸入的本構(gòu)模型非均質(zhì)參數(shù)為該試件的本構(gòu)模型非均質(zhì)參數(shù)

21、進(jìn)一步的，在步驟s4中，隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型非均質(zhì)參數(shù)和抗彈性能可靠度參數(shù)φj之間滿足的關(guān)系。試件可靠度參數(shù)φj的概率密度函數(shù)滿足φj∶n(μφ,(σφ)2)的正態(tài)分布模型，平均值μ＝1，標(biāo)準(zhǔn)差此時(shí)，使用步驟s3獲得的各個(gè)試驗(yàn)試件的非均質(zhì)參數(shù)即可計(jì)算試件可靠度參數(shù)的概率密度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而建立抗彈性能可靠度參數(shù)的概率密度函數(shù)。

22、vbl(i)∶n(μbl,(σbl)2)???8

23、

24、φj∶n(μφ,(σφ)2)???10

25、進(jìn)一步的，在步驟s5中，按抗彈設(shè)計(jì)可靠性要求確定抗彈性能可靠性參數(shù)φx和本構(gòu)模型非均質(zhì)參數(shù)抗彈設(shè)計(jì)的可靠性等于可靠度參數(shù)φ在(φx,∞)上的累計(jì)概率分布，滿足當(dāng)給定抗彈設(shè)計(jì)可靠性要求為f(φx)時(shí)，可以得到抗彈性能可靠性參數(shù)φx，再根據(jù)可以得到本構(gòu)模型非均質(zhì)參數(shù)

26、進(jìn)一步的，在步驟s6中，在商業(yè)有限元軟件中通過二次開發(fā)使用隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型模擬彈丸沖擊復(fù)合材料板，本構(gòu)模型參數(shù)的基準(zhǔn)值設(shè)置為經(jīng)步驟s2驗(yàn)證得到的本構(gòu)參數(shù)，非均質(zhì)參數(shù)設(shè)置為步驟s5計(jì)算得到的數(shù)值模擬的彈丸沖擊速度按照抗彈指標(biāo)設(shè)置，根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整有限元模型厚度迭代進(jìn)行模擬，直至厚度達(dá)到彈丸能夠貫穿復(fù)合材料板和不能貫穿復(fù)合材料板的臨界值，該厚度即為滿足抗彈要求的設(shè)計(jì)厚度。

27、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明所提供的一種基于隨機(jī)本構(gòu)模型的復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，不僅可以降低復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本，而且能在復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)考慮抗彈性能可靠度，具體而言，本發(fā)明的復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法通過建立復(fù)合材料的隨機(jī)動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，在有限元軟件中通過二次開發(fā)使用該本構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料抗彈性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法可以有效降低設(shè)計(jì)過程對經(jīng)驗(yàn)的依賴，減少侵徹試驗(yàn)次數(shù)和成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)出滿足抗彈指標(biāo)和可靠度要求的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板。