本發(fā)明屬于飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度分析，具體涉及含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法。
背景技術(shù)：
：隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機上的應(yīng)用越來越廣，在復(fù)合材料制件制造、裝配及服役中，會出現(xiàn)越來越多的分層缺陷，對含分層復(fù)合材料不合格品制件的剩余強度進行評估，強度評估太保守，導(dǎo)致飛機增加額外重量或?qū)е轮萍髲U，強度評估太冒險，則不利于飛機安全。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法，評估完全貫穿型含分層復(fù)合材料的剩余強度。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法，包括如下步驟：步驟一：根據(jù)含分層復(fù)合材料層壓板試驗件中的上面板與下面板的幾何尺寸，構(gòu)建對應(yīng)的上面板模型和下面板模型，其中，所述上面板模型與所述下面板模型都為尺寸相同的長方體；步驟二：將所述上面板模型與所述下面板模型賦予幾何位置關(guān)系，使所述上面板模型與所述下面板模型相互接觸，形成一個長方體；步驟三：根據(jù)所述上面板和所述下面板的材料力學(xué)性能，計算所述上面板和所述下面板的對應(yīng)等效工程常數(shù)，將該對應(yīng)等效工程常數(shù)賦予到對應(yīng)的所述上面板模型和所述下面板模型中，以及賦予該上面板模型和下面板模型面板材料屬性；步驟四：將所述上面板模型與所述下面板模型接觸的一個表面分割為兩個矩形區(qū)域，其中一個區(qū)域賦予界面膠層屬性及界面膠層材料的參數(shù)，得到含分層復(fù)合材料層壓板試驗件對應(yīng)的含分層復(fù)合材料層壓板試驗件模型；步驟五：所述上面板模型遠離接觸面一側(cè)的未賦予界面膠層屬性一端和所述下面板模型遠離接觸面一側(cè)的未賦予界面膠層屬性一端，施加一對垂直于兩面板模型的牽引力，使接觸面張開；步驟六：分析所述接觸面張開過程中所述含分層復(fù)合材料層壓板試驗件模型的剩余強度。優(yōu)選地是，所述含分層復(fù)合材料層壓板試驗件模型共制作5組。本發(fā)明所提供的含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法的有益效果在于，可用于評估完全貫穿型含分層復(fù)合材料的剩余強度，便于設(shè)計人員合理評估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度，為含分層的復(fù)合材料零部件分層擴展模擬及剩余強度評估提了理論基礎(chǔ)和參考方法。附圖說明圖1為本發(fā)明中的含分層復(fù)合材料層壓板受牽引力時的張開位移過程圖；圖2為本發(fā)明中的本構(gòu)方程牽引力σ與界面的相對位移δ關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明中的含分層復(fù)合材料層壓板試驗件幾何尺寸及施加牽引力方向示意圖。具體實施方式為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法做進一步詳細說明。一種含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法，該發(fā)明的思路是基于含分層復(fù)合材料層壓板界面膠層單元的本構(gòu)方程，采用Abaqus有限元軟件對幾種材料的層壓板分層進行了建模分析，對比分析材料和分層長度對分層擴展和剩余強度的影響。對于復(fù)合材料層壓板鋪層間的分層損傷，合理構(gòu)造界面膠層單元的本構(gòu)方程是準(zhǔn)確模擬分層擴展的最基本問題。本發(fā)明中的本構(gòu)方程采用將牽引應(yīng)力σ和界面的相對位移δ聯(lián)系在一起。界面膠層每一點處的牽引應(yīng)力隨張開位移先以線性變化，在界面出現(xiàn)損傷后開始“軟化”，承載能力下降，最后界面完全分離牽引應(yīng)力降為0。如圖1和圖2所示，其中，圖1中的1到5點對應(yīng)圖2中1到5點，一一對應(yīng)的關(guān)系，其中點0為未受力狀態(tài)，點1承受線彈性范圍內(nèi)的較低拉伸載荷，膠層初始剛度(或罰剛度)Kp將上、下面板連接在一起，點2表示界面開始出現(xiàn)軟化損傷。對于單一分層模式，點2處的應(yīng)力等于材料的層間拉伸強度σ0。隨著相對位移的增大，界面累積了損傷并使應(yīng)力降到層間強度以下，如點3。截至點3處釋放的能量為三角形0-2-3的面積，如圖2陰影部分，而臨界能量釋放率GⅠC可在點4處獲得，對于膠層中任何大于點4處的相對位移的點位，界面將不承受任何拉伸或剪切載荷。換言之，點4處的界面裂紋能量完全釋放。界面膠層單元的本構(gòu)方程可概括如下：a)當(dāng)δ＜δ0時，界面膠層單元的本構(gòu)方程為，σ＝Kpδb)當(dāng)δ0＜δ＜δF時，界面膠層單元的本構(gòu)方程為，σ＝(1-D)Kpδ其中D代表界面累積的損傷，初始損傷出現(xiàn)時為0，完全斷裂時為1。d)當(dāng)δ≥δF時，所有的膠層初始剛度(或罰剛度)Kp設(shè)為0。如果檢測到裂紋閉合，重新設(shè)置法向剛度以阻止裂紋面互相穿透，并且忽略摩擦影響。界面模擬分析的準(zhǔn)確性依賴于對膠層初始剛度Kp的選取。對于單一張開模式的分層損傷，初始損傷出現(xiàn)時的位移和最終完全開裂時的位移分別如下式所示。δI0=T/Kp]]>δIF=2GIC/T]]>以上兩式中T為界面的名義拉伸強度，GⅠC為Ⅰ型裂紋臨界能量釋放率。然后使用Abaqus有限元軟件構(gòu)建含分層復(fù)合材料層壓板試驗件模型進行分析。首先說明是Abaqus軟件中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分層的分析技術(shù)有粘性區(qū)分析方法和虛擬裂紋閉合技術(shù)兩種。粘性區(qū)分析方法對膠層界面的模擬主要有基于粘性單元和基于曲面兩種方法?；谡承詥卧慕缑婢哂幸欢ê穸?，并且采用常規(guī)連續(xù)的本構(gòu)方程(σ-ε)，而基于曲面模擬的界面厚度為0，并且采用前面說明的牽引-分離本構(gòu)方程(σ-δ)。在Abaqus中后者是通過接觸相互作用模擬界面的，基于曲面模擬界面厚度可被忽略，適用于復(fù)合材料層壓板的情形。本發(fā)明的中的界面采用基于曲面的界面模擬。在Abaqus軟件中有限元建模，本層壓板分層有限元模型的建立采用基于曲面的模擬方法，具體的建模步驟如下：先在Abaqus軟件中，根據(jù)含分層復(fù)合材料層壓板試驗件中的上面板與下面板的幾何尺寸，構(gòu)建對應(yīng)的上面板模型和下面板模型，該上面板模型與該下面板模型都為尺寸相同的長方體，具體選用的上面板與下面板的長(L)都為150mm，寬(W)都為20mm，各面板厚(H)都為1.98mm，再將上面板模型與下面板模型賦予幾何位置關(guān)系，使該上面板模型與該下面板模型相互接觸，形成一個長方體，如圖3所示。然后根據(jù)含分層復(fù)合材料層壓板試驗件中上面板與下面板的材料力學(xué)性能，其中材料力學(xué)性能參數(shù)包括E為彈性模量，υ為泊松比，G為剪切模量具體材料力學(xué)性能數(shù)值見表1。接著通過Patran等軟件計算該含分層復(fù)合材料層壓板試驗件中的上面板和下面板的對應(yīng)等效工程常數(shù)。在Abaqus軟件中的材料類型中，其中一種類型材料為工程常數(shù)型材料，將上面板模型與下面板模型的材料均定義為工程常數(shù)型材料，將計算得到的上面板和下面板的對應(yīng)等效工程常數(shù)賦予到對應(yīng)的上面板模型與下面板模型中，需要注意的是，上面板對應(yīng)上面板模型、下面板對應(yīng)下面板模型；以及賦予該上面板模型和下面板模型面板材料屬性，其中，面板材料屬性按照表1賦予。表1面板材料力學(xué)性能其中，C組為金屬結(jié)構(gòu)分層參考對照組。將上面板模型與下面板模型接觸的一個表面分割為兩個矩形區(qū)域，其中一個區(qū)域賦予界面膠層屬性用于模擬界面膠層，并將界面膠層區(qū)域單獨定義為一個統(tǒng)一的變量集合，另一區(qū)域用于模擬分層。分層區(qū)域及界面膠層區(qū)域見圖3所示，圖中粗實線部分為模擬分層區(qū)域，長度(l)為55mm。將上面板模型與下面板模型接觸的兩表面分別定義為相互作用表面，其中把含有膠層屬性的表面定義為從面，另一面定義為主面。在Abaqus軟件中相互作用模塊中，選取相互作用屬性選項，并將膠層的初始剛度Kp、初始強度σ＇及應(yīng)變能釋放率GI定義在相互作用屬性選項中，界面膠層的相關(guān)參數(shù)按照表2中數(shù)值設(shè)定，從而得到含分層復(fù)合材料層壓板試驗件對應(yīng)的含分層復(fù)合材料層壓板試驗件模型。表2界面材料力學(xué)性能需要說明的是模型共制作5組便于實驗數(shù)據(jù)的比對，模型Ⅰ：面板材料采用A，界面采用材料1；模型Ⅱ：面板材料采用B，界面采用材料2；模型Ⅲ：面板采用各向同性材料鋁合金2A12，即對應(yīng)表1材料代碼C，界面采用材料1；模型Ⅳ：面板采用各向同性材料鋁合金2A12，即對應(yīng)表1材料代碼C，界面采用材料2。而模型Ⅴ面板材料采用A，界面采用材料1，但分層長度由55mm更改為40mm。對每一組模型的上面板模型和下面板模型分別劃分四邊形網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格采用一個應(yīng)變單元，即上、下面板模型均采用雙線性4節(jié)點平面應(yīng)變單元(CPE4I)。上面板模型遠離接觸面一側(cè)的未賦予界面膠層屬性一端和下面板模型遠離接觸面一側(cè)的未賦予界面膠層屬性一端，即在上、下面板模型兩非接觸面未定義有膠層一端，施加一對垂直于兩面板模型的牽引力，使接觸面張開，如圖3中F所示，并定義上面板模型端點的豎直向位移和牽引力為輸出變量。在Abaqus軟件分析模塊中編輯輸出請求選項，同時打開STATUS狀體開關(guān)，在Abaqus軟件工作模塊中提交所建模型進行分析，在Abaqus軟件可視化模塊中查看分層動態(tài)擴展及結(jié)果云圖。通過有限元分析軟件可以得到：模型Ⅰ至Ⅳ四個模型的材料雖不同，但在同一分層長度下，分層自由端的張開位移均為2.5mm時，界面膠層開始出現(xiàn)軟化損傷，只是面板由復(fù)合材料層壓板改為金屬鋁板后，對應(yīng)牽引力下降約30％，詳見表3。同一長度分層情況下，面板及膠層材料對界面出現(xiàn)初始損傷時張開位移幾乎沒有影響，只是對分層牽引力有影響，且面板模量越低，牽引力越低。而對于模型Ⅴ來說，分層膠層端的張開位移均1.2mm時，界面膠層開始出現(xiàn)軟化損傷，此時牽引力為73N，詳見表3。材料相同的情況下，分層越短，界面出現(xiàn)初始損傷時分層最大張開位移越小，而牽引力越大，即剩余強度越高，反之亦然。模型牽引力(N)張開位移(mm)模型Ⅰ582.5模型Ⅱ632.5模型Ⅲ422.5模型Ⅳ402.5模型Ⅴ731.2表3模型膠層損傷時的端部的牽引力和張開位移(d/2)表從而通過本發(fā)明的含分層復(fù)合材料層壓板剩余強度的有限元分析方法能夠評估完全貫穿型分層復(fù)合材料的剩余強度。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3