一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效分析的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮濕熱效應(yīng)因素 影響的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法，適用于目前廣泛使用的各種復(fù)雜纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、性能可剪裁設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu) 異的特性，可以顯著降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量，提高飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性，其 應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的非承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到主承力結(jié)構(gòu)。目前，先進(jìn)復(fù)合材料在 飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的用量和應(yīng)用部位已經(jīng)成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的失效分析就成為了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，由于復(fù)合材料 的各向異性和對(duì)濕熱環(huán)境的敏感性，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究和認(rèn)識(shí)就變得異常困難。盡管 眾多學(xué)者在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、失效理論和強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法等方面做了大量研究，但是 對(duì)于濕熱環(huán)境下先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效分析尚缺乏足夠的理解。
[0003] 近些年來(lái)，基于先進(jìn)的有限元分析技術(shù)和損傷力學(xué)原理，漸進(jìn)損傷方法在復(fù)合材 料結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域展現(xiàn)了顯著的優(yōu)越性。漸進(jìn)損傷方法主要包括應(yīng)力分析、失效準(zhǔn)則選擇和 材料退化模型三方面的內(nèi)容。它通過(guò)應(yīng)力分析獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，采用適當(dāng)?shù)?失效準(zhǔn)則評(píng)價(jià)材料的失效行為，并建立適當(dāng)?shù)膿p傷材料力學(xué)模型模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷過(guò) 程，揭示復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。通過(guò)漸進(jìn)損傷分析，不僅可以預(yù)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)初始損 傷部位及初始破壞強(qiáng)度，還可以追蹤損傷擴(kuò)展路徑，模擬從初始損傷到極限破壞的全過(guò)程， 同時(shí)還可以確定結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度。該方法明確的分析思路和直觀的分析結(jié)果為 人們深入理解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性提供了重要的途徑，成為當(dāng)前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析一 種重要手段。
[0004] 但由于復(fù)合材料對(duì)濕熱環(huán)境的敏感性，在不同溫度和濕度的工作環(huán)境中必然表現(xiàn) 出不同的特性。一般來(lái)說(shuō)，高溫和潮濕環(huán)境會(huì)明顯削弱基體和纖維的力學(xué)性能，導(dǎo)致復(fù)合材 料的失效過(guò)程和退化行為變得極其復(fù)雜。因此，合理地確定濕熱效應(yīng)影響下的復(fù)合材料屬 性，建立適當(dāng)?shù)臐u進(jìn)損傷分析模型，引起了學(xué)者們的重點(diǎn)關(guān)注。
[0005] 現(xiàn)在亟需解決的技術(shù)問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法，以解 決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè) 分析方法
[0007] 本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法，用 于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程的模擬和強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，包括如下步驟：
[0008] S1，對(duì)于給定的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，測(cè)量并記錄結(jié)構(gòu)當(dāng)前的溫度和吸濕量；
[0009] S2,在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元模型內(nèi)，定義熱膨脹系數(shù)α、濕膨脹系數(shù)β，輸入 當(dāng)前溫度相對(duì)于溫度增量AT以及吸濕量c ;
[0010] S3,基于溫度增量ΔΤ，計(jì)算考慮溫度和濕度影響的材料剛度和強(qiáng)度參數(shù)，并建立 材料剛度矩陣C0 ;
[0011] S4,施加位移載荷，依據(jù)ε ht= α ΔΤ+β c計(jì)算得到在此溫度和濕度條件下的濕熱 應(yīng)變，并得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布σ = C( ε - α ΔΤ-β c);
[0012] S5,采用Hashin類失效準(zhǔn)則判定復(fù)合材料的失效狀態(tài)；
[0013] S6,滿足失效準(zhǔn)則，則材料發(fā)生失效；此時(shí)，根據(jù)給定的材料退化模型對(duì)相應(yīng)部位 材料進(jìn)行退化，并在第k增量步時(shí)采用
[0015] 分別更新剛度矩陣和應(yīng)力分布狀態(tài)；
[0016] S7,更新應(yīng)力分布狀態(tài)σ k = σ k-1+Ck · Δ ε k，如果沒(méi)有滿足失效準(zhǔn)則，則材料無(wú) 損傷，材料剛度不變Ck = Ck-1 ;
[0017] S8,判斷位移是否達(dá)到給定的位移載荷。
[0018] 上述方案中優(yōu)選的是，所述S3實(shí)現(xiàn)的過(guò)程步驟包括：
[0019] S3-1，更新相應(yīng)濕熱條件下的材料剛度參數(shù)，由如下公式計(jì)算而得，
[0021] 其中，E1、E2和G12均為基本的復(fù)合材料模量參數(shù)，而帶有角標(biāo)t的相應(yīng)參數(shù)則為 相應(yīng)溫度影響下的材料參數(shù)的修正值；Tg為該材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，T為當(dāng)前溫度，T。是室 溫，并且T = TQ+AT ;
[0022] S3-2,更新相應(yīng)濕熱條件下的材料強(qiáng)度參數(shù)，由如下公式計(jì)算而得，
[0026] 其中，Xt、Xc、Yt以及S是基本的復(fù)合材料強(qiáng)度參數(shù)，Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)，帶有角 標(biāo)t的相應(yīng)參數(shù)仍為相應(yīng)溫度影響下材料參數(shù)的修正值。
[0027] 上述任一方案中優(yōu)選的是，S3-2中，Κ/ /?:近似取值為1。
[0028] 上述任一方案中優(yōu)選的是，S6的實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括如下步驟：
[0029] S6-1，基于所述S5判定的失效狀態(tài)，列出的材料退化模型更新材料屬性；
[0030] S6-2,更新材料剛度矩陣；
[0031] S6-3,更新?lián)p傷材料的應(yīng)力；
[0032] S6-4,執(zhí)行 S8。
[0033] 上述任一方案中優(yōu)選的是，S6-2中材料剛度矩陣與損傷后材料剛度矩陣相同。
[0034] 上述任一方案中優(yōu)選的是，S6-2中的所述損傷后材料剛度矩陣由退化后的材料彈 性常數(shù)計(jì)算而得。
[0035] 本發(fā)明所提供的飛機(jī)壽命周期重量實(shí)時(shí)監(jiān)控方法的有益效果在于：
[0036] (1)本發(fā)明考慮了濕熱效應(yīng)因素對(duì)于復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度等參數(shù)的影響，結(jié)合濕 熱應(yīng)變的影響，建立了表述各向異性復(fù)合材料在濕熱環(huán)境影響下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方 程，進(jìn)而建立了修正的材料剛度矩陣；
[0037] (2)本發(fā)明基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效的漸進(jìn)損傷分析方法，建立了可用于濕熱環(huán)境 下復(fù)合材料失效分析的更為完善的漸進(jìn)損傷模型，并在應(yīng)力分析模型、失效準(zhǔn)則和材料退 化模型中均引入了濕熱效應(yīng)的影響；
[0038] (3)本發(fā)明采用了針對(duì)Hashin類失效準(zhǔn)則的材料退化模型，根據(jù)不同的失效模式 只對(duì)相應(yīng)的材料參數(shù)進(jìn)行退化。與現(xiàn)有的退化模型相比，能夠更為準(zhǔn)確地計(jì)算材料損傷后 的性能；
[0039] (4)本發(fā)明可以追蹤結(jié)構(gòu)在失效過(guò)程中，失效區(qū)域的起始、擴(kuò)展以及最終失效的情 況，給出在達(dá)到失效時(shí)各個(gè)鋪層的損傷狀況以及失效模式；
[0040] (5)本發(fā)明可以分析濕熱條件在復(fù)合材料失效過(guò)程中的影響，為復(fù)合材料設(shè)計(jì)提 供了參考依據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1是按照本發(fā)明的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法的一優(yōu)選實(shí)施例的流程示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 為了更好地理解按照本發(fā)明方案的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法，下面結(jié)合附 圖對(duì)本發(fā)明的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效預(yù)測(cè)分析方法的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步闡述說(shuō)明。
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明基于連續(xù)損傷力學(xué)退化模型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效分析方法的 具體實(shí)現(xiàn)為：
[0044] 1.對(duì)于給定的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，測(cè)量并記錄結(jié)構(gòu)當(dāng)前的溫度和吸濕量；
[0045] 2.基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元模型，設(shè)定熱膨脹系數(shù)α、濕膨脹系數(shù)β，并輸 入當(dāng)前溫度相對(duì)于室溫的增量AT以及吸濕量c ;
[0046] 3.基于溫度增量ΔΤ，計(jì)算得到考慮溫度和濕度影響的材料剛度和強(qiáng)度參數(shù)，首 先更新相應(yīng)濕熱條件下的材料剛度參數(shù)，由如下公式計(jì)算而得，
[0048] 其中，E1、E2和G12均為基本的復(fù)合材料模量參數(shù)，而帶有角標(biāo)t的相應(yīng)參數(shù)則為 相應(yīng)溫度影響下的材料參數(shù)的修正值；Tg為該材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，T為當(dāng)前溫度，而T0指 的是室溫，并且T = Τ0+ΔΤ ;
[0049] 然后更新相應(yīng)濕熱條件下的材料強(qiáng)度參數(shù)，由如下公式計(jì)算而得，

[0053] 其中，Xt、Xc、Yt以及S是基本的復(fù)合材料強(qiáng)度參數(shù)，Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)，帶有角 標(biāo)t的相應(yīng)參數(shù)仍為相應(yīng)溫度影響下材料參數(shù)的修正值，由于纖維體積分?jǐn)?shù)被普遍認(rèn)為是 受溫度影響很小的，因此方程中的G /匕可以近似為1。