分別用了 2步和3步就達(dá)到了殘差0. 21 %和0. 13%的水平。
[0082]
[0083] 表3GIIc參數(shù)優(yōu)化的初始值、目標(biāo)值和殘差
[0084] 混合裂紋的模型的材料屬性與I型和II型模型相同。上下梁的懸臂端施加不同 轉(zhuǎn)角，^= 5 0 2。因?yàn)樯狭恨D(zhuǎn)角為下梁的5倍，上梁的應(yīng)力水平高于下梁。同樣，轉(zhuǎn)角較小 時(shí)，裂紋并未形成。隨著轉(zhuǎn)角的增加，粘結(jié)層右端材料出現(xiàn)損傷和剛度退化，應(yīng)力水平開(kāi)始 降低。當(dāng)上梁轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03時(shí)，裂紋開(kāi)始形成，并逐步向左擴(kuò)展。在粘結(jié)層出現(xiàn)損傷之前， 材料為線彈性行為，反力矩與轉(zhuǎn)角呈直線關(guān)系。損傷出現(xiàn)后，承載能力減弱，反力上升率開(kāi) 始降低，曲線右傾。
[0085] 1)MPK22的優(yōu)化求解
[0086] 1^和1(22主要控制著模型線彈性階段。2個(gè)迭代變量，需要3個(gè)初值，所以給出3 組初值。用了 2套初值（每套初值含有3組初值）來(lái)測(cè)驗(yàn)優(yōu)化算法對(duì)于初值的穩(wěn)定性。同 時(shí)，該優(yōu)化算法中有2個(gè)控制常數(shù)和1個(gè)拓展系數(shù)，是控制收斂速度的。本文也用了 2組控 制參數(shù)，分別為a= 0. 5, 0 = 2，y= 0. 5和a= 〇. 5, 0 = 0. 5，y= 0. 5,來(lái)觀察他們 對(duì)于結(jié)果的影響。
[0087] 目標(biāo)函數(shù)為：
[0088] f = | a〇-a! | +1 bo-bj
[0089] 其中a。，&1，13。和bi是反力矩-轉(zhuǎn)角曲線的線彈性段的斜率。
[0090] 收斂準(zhǔn)則為：
[0091]
[0092] 計(jì)算結(jié)果如表4,迭代計(jì)算步驟較多，說(shuō)明多變量迭代優(yōu)化的計(jì)算困難較大，控制 參數(shù)對(duì)計(jì)算過(guò)程影響不大。不同的初值對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響，但殘差都在6%以內(nèi)，說(shuō) 明收斂精度可以滿足要求。
[0093]
[0094] 表4tc參數(shù)優(yōu)化的初始值、目標(biāo)值和殘差
[0095] 2) 〇c，tc，GIc，GIIc和n的多變量?jī)?yōu)化求解
[0096] 在Kn和K22優(yōu)化求解完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行〇。，t。，GyG"。和n的多變量?jī)?yōu)化求 解。這5個(gè)參數(shù)的多變量?jī)?yōu)化求解，算法與前述的2變量求解相同，只不過(guò)需要6組初值。 計(jì)算控制參數(shù)選為a = 〇. 5，0 = 0. 5，y= 0. 5。
[0097] 目標(biāo)函數(shù)定義為：
[0098]
[0099] 初值和計(jì)算結(jié)果如表5,各個(gè)變量的結(jié)果殘差都小于10%，僅有、的殘差較大 (19. 17%)，原因可能是目標(biāo)函數(shù)的定義中，和t。的相互影響參數(shù)偏小，即實(shí)際上二者 的耦合效應(yīng)更大。
[0100]
[0102] 表5 〇c，tc，GIc，GIIc和n參數(shù)優(yōu)化的參數(shù)和殘差
[0103] 用優(yōu)化計(jì)算結(jié)果提交有限元計(jì)算得到的反力矩-轉(zhuǎn)角曲線，與目標(biāo)曲線基本重 合，說(shuō)明優(yōu)化計(jì)算得到的結(jié)果能夠準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)材料的狀態(tài)。
[0104] 前文I型-II型分步的過(guò)程也得到了 \，Gk，G"。結(jié)果，與混合裂紋求解結(jié)果 相比，分步求解的精度更高，也進(jìn)一步說(shuō)明了多變量?jī)?yōu)化計(jì)算的規(guī)模越大，精度越低，證明 了本文的分步求解方法的重要性。所以對(duì)于這4個(gè)參數(shù)，應(yīng)以I型-II型分步求解結(jié)果為 主，混合裂紋結(jié)果為參考。
[0105] 以上結(jié)合本發(fā)明的具體實(shí)施例做了詳細(xì)描述，但并非是對(duì)本發(fā)明的限制，凡是依 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改均屬于本發(fā)明的技術(shù)范圍，還需要 說(shuō)明的是，按照本發(fā)明的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法技術(shù)方案的范 疇包括上述各部分之間的任意組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特征在于，包括如下步 驟： 51 :建立裂紋擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系模型； 52 :面向參數(shù)優(yōu)化算法的模型調(diào)整； 53 :設(shè)計(jì)和開(kāi)展復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)界面裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)； 54 :利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化求解性能參數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特征在 于，S1中選用損傷理論的韌性材料失效本構(gòu)關(guān)系模型來(lái)模擬膠接結(jié)構(gòu)界面材料的損傷和開(kāi) 裂；損傷前材料為線彈性行為，損傷后的材料損傷準(zhǔn)則都包含三個(gè)部分：損傷起始準(zhǔn)則、損 傷演化法則和當(dāng)達(dá)到"完全損傷"狀態(tài)時(shí)的單元消除法則，損傷前的線性彈性模型為牽引 力-張開(kāi)的線性彈性模型，控制方程為：其中，Knn，Kss和Ktt為三個(gè)方向的正牽引力和正張開(kāi)位移之間的剛度系數(shù)，Kns，Kst和Ktn 為三個(gè)方向之間兩兩耦合的剛度系數(shù)，即張開(kāi)的拉力導(dǎo)致剪切的變形，剪切力導(dǎo)致張開(kāi)的 變形； 損傷起始準(zhǔn)則選擇最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則，即應(yīng)力水平達(dá)到某個(gè)值時(shí)候材料開(kāi)始出現(xiàn)損 傷，控制方程為：其中，<，（和 < 為損傷起始的臨界應(yīng)力， 損傷演化法則選擇基于能量理論的線性軟化法則，裂紋混合模式，即I型裂紋與II型 裂紋相互親合的方法，選擇Benzeggagh-Kenane(BK)方法，控制方程為：其中，Gf，Gf和(jf為能量法軟化準(zhǔn)則的臨界能量；n為裂紋混合方程中的混合系 數(shù)。3. 如權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特征在 于，S2中對(duì)所述線性彈性方程進(jìn)行等效和簡(jiǎn)化，減少參數(shù)數(shù)量，依據(jù)參數(shù)物理意義進(jìn)行分 類，建立"分組分步"迭代算法。4. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特征在 于，S3中根據(jù)S2中參數(shù)分組和計(jì)算方法測(cè)定全套的性能參數(shù)制定三項(xiàng)試驗(yàn)：1型張開(kāi)型裂 紋擴(kuò)展試驗(yàn)；II型剪切型裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)；I/II混合型裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。5. 如權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特征在 于，利用雙懸臂梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展如權(quán)利要求4所述的三項(xiàng)試驗(yàn)，閉合端固定、張開(kāi)端的兩支的端 部分別施加位移或轉(zhuǎn)角，通過(guò)設(shè)計(jì)位移或轉(zhuǎn)角的方向和比例，在裂紋尖端生成不同的裂紋 形式。6. 如權(quán)利要求1或5所述的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特 征在于，S4中通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的位移-載荷數(shù)據(jù)，按照I型裂紋參數(shù)-II型裂紋參數(shù)-混合 型裂紋參數(shù)的順序，利用優(yōu)化算法逐個(gè)求解性能參數(shù)，優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中，進(jìn)行膠接層的建模 分析，并將前述的裂紋擴(kuò)展本構(gòu)模型嵌入到計(jì)算軟件單元性能之中，為待定參數(shù)設(shè)置相應(yīng) 的初值，進(jìn)行I型裂紋的控制參數(shù)和II型裂紋的控制參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算。7. 如權(quán)利要求6所述的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，其特征在 于，I型裂紋的控制參數(shù)Kn控制反力-位移曲線的線彈性段的斜率，給出2組初始參數(shù)，其 中除了Kn之外的參數(shù)都暫時(shí)與目標(biāo)值相同，僅對(duì)Kn進(jìn)行優(yōu)化初始參數(shù)下，計(jì)算得到的線彈 性段的曲線與目標(biāo)曲線不重合，其斜率有偏差，以偏差最小為目標(biāo)，利用牛頓法計(jì)算下一步 迭代變量的"下降方向"和步長(zhǎng)，最終得到使計(jì)算曲線與目標(biāo)曲線重合的Kn值；完成Kn求 解之后，進(jìn)行的求解。〇。主要控制線性段的最高點(diǎn)的位置，同樣選擇2套初始參數(shù)，以 "最高點(diǎn)與目標(biāo)最高點(diǎn)的偏差最小"為目標(biāo)，迭代算法同樣選擇牛頓法A。的影響段為損傷 開(kāi)始后的材料退化段，在曲線中體現(xiàn)為載荷下降段，迭代算法與前述相同，下降段曲線與目 標(biāo)曲線偏差最小值即為h。，II型裂紋的優(yōu)化過(guò)程與I型裂紋相同，使用II型裂紋的雙懸臂 梁模型，經(jīng)過(guò)三個(gè)單變量?jī)?yōu)化計(jì)算，求解得到K22，、和G"。。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法，屬于航空材料學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域，包括如下步驟：S1:建立裂紋擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系模型；S2：結(jié)合本構(gòu)關(guān)系形式設(shè)計(jì)膠接層裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)；S3：利用多變量?jī)?yōu)化方法，逆向測(cè)定膠接層裂紋擴(kuò)展性能參數(shù)，建立完整的界面裂紋擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型和分析方法。本發(fā)明提供的復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的裂紋性能測(cè)定和優(yōu)化求解方法計(jì)算精度高、速度快，建立的膠接結(jié)構(gòu)界面裂紋擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)單易用，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠完整地展現(xiàn)粘結(jié)層材料的損傷開(kāi)始、材料退化、裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展過(guò)程。
【IPC分類】G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN105022898
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510504535
【發(fā)明人】卜英格, 洪海明, 周麗君
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所
【公開(kāi)日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日