一種基于連續(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
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于連續(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，該方法建立了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的三維連續(xù)損傷力學(xué)退化模型，考慮了纖維“裂紋”和基體裂紋兩類損傷形式和損傷的方向性，同時(shí)，考慮了纖維拉伸和壓縮損傷過程中纖維損傷與基體損傷的耦合、載荷反向加載時(shí)出現(xiàn)的裂紋閉合效應(yīng)，分別使用三個(gè)損傷變量表征纖維“裂紋”損傷和兩個(gè)相互垂直的基體裂紋損傷，最終得到可用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效分析的連續(xù)損傷力學(xué)退化模型。本發(fā)明與現(xiàn)有的突降退化模型相比，考慮了復(fù)合材料損傷后在不同載荷狀態(tài)下的行為特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地表征材料損傷后的性能，適用于載荷狀態(tài)、約束情況更加復(fù)雜情況下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷過程的模擬和強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。
【專利說明】一種基于連續(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
【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，適用于航空航天飛行器中廣泛使用的各種復(fù)雜復(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)合材料的宏觀各向異性和細(xì)觀非均質(zhì)特性，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理和破壞過程與金屬結(jié)構(gòu)完全不同，呈現(xiàn)出多重?fù)p傷形式并存、損傷不規(guī)則擴(kuò)展等特點(diǎn)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)帶來了巨大的困難。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)于靜載荷作用下先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效與破壞尚缺乏足夠的理解。
[0003]近些年來，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)氖?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)損傷過程，揭示復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。通過漸進(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)合材料結(jié)構(gòu)失效過程中存在多尺度、多重?fù)p傷模式的無規(guī)則耦合擴(kuò)展，損傷的方向性、多損傷模式、損傷擴(kuò)展的無序性、損傷材料與未損傷材料的耦合及數(shù)值應(yīng)用問題等等，使得材料退化行為極其復(fù)雜。因此，合理地確定損傷材料的剩余剛度，建立材料退化模型，引起了學(xué)者們的重點(diǎn)關(guān)注，并嘗試從理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值測(cè)試等多渠道建立不同材料體系、載荷和約束條件等的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的退化模型。本方法正是在這一背景下，基于細(xì)觀力學(xué)和熱力學(xué)框架提出的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的基本理論，以復(fù)合材料三維工程彈性常數(shù)為輸入?yún)?shù)，建立了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的連續(xù)損傷模型，以描述復(fù)合材料在破壞過程中的損傷累積現(xiàn)象和非線性力學(xué)響應(yīng)，最終提出了一種基于連續(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。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種基于連續(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，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0007]步驟A，根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元模型，施加邊界條件和初始載荷；
[0008]步驟B，基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，并在第k增量步時(shí)，開始調(diào)取單元積分點(diǎn)的應(yīng)力ok;
[0009]步驟C，應(yīng)用復(fù)合材料失效準(zhǔn)則預(yù)測(cè)復(fù)合材料的失效狀態(tài)；
[0010]步驟D，如果滿足失效準(zhǔn)則，則材料發(fā)生失效。此時(shí)，根據(jù)本發(fā)明提出的連續(xù)損傷力學(xué)退化模型進(jìn)行材料剛度退化；
[0011]步驟E，如果沒有滿足失效準(zhǔn)則，則材料無損傷。此時(shí)，材料剛度不變Ck+1 = C°，更新應(yīng)力 σ'5+1= σ k+Ck+1 -Aek；
[0012]步驟F，判斷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷是否導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；
[0013]步驟G，如果結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，增大載荷，返回步驟(B)；
[0014]步驟H，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，則結(jié)構(gòu)失去承載能力，停止分析，此時(shí)的載荷即為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度。
[0015]所述步驟D中如果材料發(fā)生失效，根據(jù)本發(fā)明提出的連續(xù)損傷力學(xué)退化模型進(jìn)行材料剛度退化實(shí)現(xiàn)過程為:
[0016](Dl)根據(jù)材料退化準(zhǔn)則更新材料屬性；
[0017](D2)更新材料剛度矩陣Ck+1 = Cd，其中CdR表損傷后材料剛度，由退化后的材料模量計(jì)算而得，當(dāng)σ η < O, D1 > O時(shí)，
【權(quán)利要求】
1.一種基于連續(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，其特征在于包括以下步驟: 步驟A，根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元模型，施加邊界條件和初始載荷； 步驟B，基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，并在第k增量步時(shí)，開始調(diào)取單元積分點(diǎn)的應(yīng)力ok; 步驟C，應(yīng)用復(fù)合材料失效準(zhǔn)則預(yù)測(cè)復(fù)合材料的失效狀態(tài)； 步驟D，如果滿足失效準(zhǔn)則，則材料發(fā)生失效，此時(shí)，根據(jù)連續(xù)損傷力學(xué)退化模型進(jìn)行材料剛度退化； 步驟E，如果沒有滿足失效準(zhǔn)則，則材料無損傷，此時(shí)，材料剛度不變Ck+1 = C0,更新應(yīng)力σ k+1 = σ k+Ck+1.Δ ε k ； 步驟F，判斷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷是否導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞； 步驟G，如果結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，增大載荷，返回步驟(B)； 步驟H，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，則結(jié)構(gòu)失去承載能力，停止分析，此時(shí)的載荷即為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于連續(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，其特征在于所述步驟D中實(shí)現(xiàn)過程為: (Dl)根據(jù)材料退化準(zhǔn)則更新材料屬性； (D2)更新材料剛度矩陣Ck+1 = Cd，其中CMf表損傷后材料剛度，由退化后的材料模量計(jì)算而得，當(dāng)O11C(^D1) O時(shí)，
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK103592175SQ201310573411
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】趙麗濱, 秦田亮, 山美娟, 張建宇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)