CN101351802B - 用于分析复合构件的载荷容量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于分析复合构件的载荷容量的系统和计算机程序产品。该系统包括用于接收模型数据和材料数据的装置或模块，模型数据是结构构件的配置和载荷条件的特征，而材料数据是结构构件材料的材料特性的特征。分析模型数据，以生成包括关于结构构件多个节点的应变张量的分析数据。生成增强分析数据，其包括代表结构构件材料的临界应变不变量值。根据应变不变量失效理论对增强数据进一步进行分析，以生成结果数据，其代表在结构构件中导致损坏不稳定性的载荷条件、以及不稳定性的可能位置、方向和/或行进路径。

Description

用于分析复合构件的载荷容量的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及用于分析和/或制造具有预定载荷容量的结构构件的系统和计算机程序产品，诸如通过确定复合构件的临界载荷，例如，根据应变能的划分和一个或多个预定载荷的高斯点应变的临界状态(criticality)。

背景技术

复合结构构件通常难以呈现材料特性，这使借助于常规技术的失效分析比较困难。例如，许多复合材料在破裂或者失效之前呈现很小的变形。因此，难以基于复合构件破裂发展或开始失效之前的应力而产生的变形，来准确预测复合构件的失效点。具体地，纤维增强复合材料的各向异性性质、以及在同样的结构成分使用多种材料而带来的复杂性，通常需要基于经验技术的预测。这些途径需要相同或大致类似的结构成分的大量测试，以发展准确的预测。所以，在复合构件的设计和制造之后，通常对其进行测试，以确定或证实临界载荷容量。这种测试可能费钱费时，从而限制了可以对其进行评估的用于特定构件的可选设计方案的数量。

因此，对于分析和制造结构构件而言，存在对于改进的系统和计算机程序产品的需求，以确定构件的载荷容量，而无需进行过多的破坏性测试。这种系统和计算机程序产品应当能够分析复合结构构件，并应当提供构件的准确评估，使得可以将构件设计成至少经得起最小载荷，同时减少或最小化重量和制造成本。

发明内容

一种系统和计算机程序产品分析复合构件的载荷容量。例如，该系统可以用计算机程序产品实现，该计算机程序产品包括存储了计算机可读程序代码部分的计算机可读存储介质。根据一种实施方式，计算机可读程序代码部分包括用于接收模型数据和材料数据的第一可执行部分。模型数据是结构构件的配置和载荷条件的特征，以及材料数据是结构构件材料的材料特性的特征。第二可执行部分分析模型数据并生成分析数据，该分析数据包括关于结构构件的多个节点的应变张量。第三可执行部分生成增强分析数据，其包括代表结构构件材料的临界应变不变量值。第四可执行部分分析该增强分析数据以生成结果数据，其代表导致损坏结构构件中的不稳定性的载荷条件以及不稳定性的可能位置(likely location)和方向。

例如，对于具有基体相和纤维相的复合结构构件而言，第二、第三和第四可执行部分可以配置成提供关于复合构件的复合材料的至少一个基体相临界畸变(distortional)应变不变量，提供关于复合构件的复合材料的至少一个纤维相临界畸变应变不变量，以及确定关于复合构件的复合材料的至少一个基体相临界膨胀(dilatational)应变不变量。各基体相应变不变量值对应于由于在复合构件上的预定载荷所致的复合构件基体相的多个高斯点之一的应变条件。可执行部分还可以确定关于复合构件的复合材料的多个应变不变量值，各应变不变量值对应于由于在复合构件上的预定载荷所致的复合构件的负荷材料的多个高斯点之一的应变条件。可执行部分可以比较各基体及纤维相应变不变量值与对应的基体或纤维相临界应变不变量，以识别关于预定载荷的各高斯点的临界状态。因此，可读程序的这些部分可以确定关于预定载荷的总应变能的划分(partition)，根据高斯点的临界状态，在保持能量和分散能量之间划分总应变能。例如，将与各临界高斯点相关联的应变能划分作为分散能量，以及将与各非临界高斯点相关联的应变能划分作为保持能量。

此外，这些部分可以配置成：对于不同的预定载荷(如逐渐增大的载荷)重复这些操作，从而计算临界载荷(损坏不稳定性开始)，其与被认为是关于特定应用的不可接受的损坏、也就是可以保持的最大能量相对应。例如，通过根据基于复合构件的薄板特性的隐损坏函数确定最大能量保持(retention)，可以计算临界载荷。

根据本发明的一方面，还可以提供另外的可执行部分，用于执行结果数据的概率分析，以确定由于在结构构件材料和/或结构构件的几何结构中一个或更多方面的概率上可能的变化所导致的结果数据的变化。还可以提供另外的可执行部分，用于根据计算出的载荷容量调整复合构件的属性(如尺寸)，使得可以自动执行构件的迭代分析。

附图说明

当结合附图和本发明的下列详细描述考虑时，本发明的这些以及其他的优点和特点、以及实现方式将更为明了，附图图示优选的和示例的实施方式，而且附图无需按比例绘制，其中：

图1是图示根据本发明一种实施方式形成的复合结构构件的透视图；

图2是图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的载荷容量的系统的方框图；

图3是图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的载荷容量的操作的流程图；以及

图4和图5是图解示出用于分析复合结构构件的载荷容量的系统和操作的示意图。

具体实施方式

下面，参照示出本发明部分而非全部实施方式的附图，对本发明进行更充分的描述。本发明可以具体化为许多不同形式，而且不应当理解成局限于这里给出的实施方式，更确切地说，提供这些实施方式，使得本披露完全彻底，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。文中相同的标号始终指示相同的构件。

现在参照附图，具体参照图1，其中示出了由根据本发明一种实施方式的复合材料形成的结构构件10。具体地，构件10的复合材料包括纤维相和基体相。纤维相由多个纤维增强构件12(图1中用沿结构构件10纵向延伸的虚线图示其中的三个)加以限定，而基体相则由其中布置纤维增强构件12的基体材料14加以限定。例如，结构构件10可以由多个细长带(或者“绳”)形成，其中该细长带被布置、压实、硬化成期望的配置。增强构件12可以布置成单纤维、股、编织物、机织织物或非织毡等，它们由诸如玻璃丝、金属、矿物、导电或非导电石墨或碳、尼龙、芳族聚酰胺(诸如E.I.du Pont de Nemours and Company的注册商标)等材料形成。其中布置有增强构件12的基体相14可以包括不同材料，诸如热塑性或热固性聚合树脂。示例性的热固性树脂包括烯丙醇酯树脂、醇酸聚酯树脂、双马来酰亚胺树脂(BMI)、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂(PUR)、聚脲甲醛树脂、氰酸酯树脂、以及乙烯基酯树脂。示例性的热塑性树脂包括液晶聚合物(LCP)；氟塑料，包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)、全氟烷氧基树脂(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、以及聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(MFA)；酮基树脂，包括聚醚酮(PEEK^TM，英国Lancashire州Thorntons Cleveleys市Victrex PLC公司的商标)；聚酰胺，诸如尼龙-6/6，30％玻璃纤维；聚醚砜(PES)；聚酰胺酰亚胺(PAI)，聚乙烯(PE)；聚酯热塑性塑料，包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、以及聚乙烯(亚苯基对苯二酸酯)；聚砜树脂(PSU)；聚乙烯(亚苯基硫化物)(PPS)。

结构构件10的特征在于临界载荷容量，即，如下临界载荷：构件10的各部分能承受比该临界载荷低的载荷，而不会带来损坏不稳定性或失效。临界载荷取决于诸如形成构件的材料等的因素。例如，在如图1所示的复合结构构件的情况下，临界载荷由纤维和基体材料的类型、纤维和基体相的相对量、纤维相在基体相中的配置、复合构件的尺寸和配置、施加的载荷的类型、构件所暴露的其他条件等等确定。根据在复合构件工作或使用期间所期望的实际载荷，可以对复合结构构件进行设计和制造，以达到预定临界载荷容量。由此，根据本发明，可以按分析方式确定临界载荷容量，而不破坏构件。例如，在制造复合构件之前，可以确定构件的临界载荷容量，从而减少或者省略构件的后续破坏性测试。

根据构件要保持能量的容量，并通过使用应变不变量失效理论(这里称为“SIFT”)，可以确定临界载荷容量。在Jonathan H.Gosse的“A DamageFunctional Methodology for Assessing Post-Damage Initiation Environments inComposite Structure”，AIAA-2004-1788，45th AIAA/ASME/ASC Structures，Stuctural Dynamics&Materials Conference，April 19-22，2004，Palm Springs，California中对SIFT进行了进一步描述。如这里所述，SIFT可以用于分析复合材料和粘合组件中损坏的起始(initiation)，并且可以应用于层状堆叠顺序、结构几何形状、加载以及边界条件等的不同配置。特别地，SIFT可以用于分析由结构构件形状的变化(“畸变”)和/或结构构件体积的变化(“膨胀”)所引起或指示的损坏起始。由此，SIFT考虑结构构件的基体和纤维的畸变及膨胀。

结构构件中的损坏起始，通常用与每个纤维和基体相相关联的临界应变不变量也就是作为结构构件材料的特征的临界应变值来表示。例如，复合结构构件可以通过铺设、压实以及硬化多个细长复合带而形成，每个带具有布置在基体材料中的纤维，通常使纤维沿带的方向纵向延伸。这样的复合结构构件的基体相内的损坏起始，通常用两个临界应变不变量J₁ ^critical和ε_von Mises ^critical表示，它们是基体材料的特征，而纤维相中的损坏通常用一个临界应变不变量ε^fiber _von Mises ^critical表示，其为纤维增强材料的特征。ε^fiber _{von Mises} ^critical实际上是基体相的ε_von Mises ^critical的高度局部化的值。此临界不变量的值是通过分析乘积形式的纤维为主的失效来进行推断的，所以表示为ε^fiber _{von Mises} ^critical。因此，通过比较基体相的应变不变量J₁、ε_von Mises与关于基体相的各临界应变不变量J₁ ^critical、ε_von Mises ^critical，并比较纤维相的应变不变量ε^fiber _{von Mises}与关于纤维相的各临界应变不变量ε^fiber _von Mises ^critical，可以确定应变的临界状态(也就是，应变是否将导致结构构件的永久性损坏)：

J₁≥J₁ ^critical                                                        (1)

ε_von Mises≥ε_von Mises ^critical                                      (2)

ε^fiber _von Mises≥ε^fiber _von Mises ^critical                            (3)

应变不变量定义为：

J₁＝ε₁+ε₂+ε₃                                                       (4)

ε_von Mises＝{1/2[(ε₁-ε₂)²+(ε₁-ε₃)²+(ε₂-ε₃)²]}^1/2               (5)

其中，ε₁、ε₂和ε₃是主应变。

即，对于由结构构件限定的多个高斯点的每一个，估计应变不变量，以确定如何划分结构构件的总内应变能，即，确定结构构件的总内应变能中多少被保持(例如，作为结构构件中的应变)、以及多少被分散(例如，作为损坏)。要确定此估值的高斯点可以使用精确的程序或“诊断”来选择。具体地，结构构件的总内应变能可以使用下列广义等式进行划分：

其中：

i对应于主材料方向(4→23、5→13、6→12)；

E_Ti扩展为总能量的6个应变能分量；

E_D是所有分散能量的集合；

ψ_i(ξ^Φ)是与各临界应变不变量Φ^K，k＝J_i、ε_von Mises或ε^fiber _von Mises的总能量的各分量相关联的显损坏函数；以及vM表示von Mises。

损坏函数可以是变形的当前状态和损坏的当前状态以及其他变量的函数，所有这些都用ξ包含代表。由于它们的估值所涉及的许多变量以及它们的各种相互作用，显损坏函数ψ_i(ξ^Φ)在这一时间点可以看成不确定的。

通过用隐损坏函数ξ_iβ^Φ替换显损坏函数ψ_i(ξ^Φ)，可以对最大能量保持(MER)的显形式进行近似，从而得出以下：

MER通常是数值积分的最大值，因而：

${{\∂E}_R}^{\mathrm{\ω}}/{\∂\mathrm{\δ}}^i=0---\left(12\right)$

其中：

δⁱ对应于变形的总当前状态，以及

E_R ^ω是全部保持能量的集合(这里ω代表基体能量、纤维能量或总能量)。

隐损坏函数ξ_iβ^Φ包括赋值函数ξ_i和内分层函数(intralaminar functional)β^Φ。赋值函数为0或1，表示应变不变量的临界值的实现，将导致总能量的所有特定能量分量到布置能量集合或者所有特定能量分量到保持集合的划分。也就是，与具有临界值的各高斯点相关联的所有能量通常被划分为分散能量，而与具有非临界值的各高斯点相关联的所有能量则划分为保持能量。内分层函数是薄板特性的函数(例如，对于单向乘积形式，E₁₁、E₂₂、E₃₃、G₁₂、G₁₃、G₂₃、υ₁₂、υ₁₃、υ₂₃、α₁₁、α₂₂、α₃₃、J₁ ^critical、ε_von Mises ^critical、ε^fiber _{von Mises} ^critical和变形的当前状态，其中E是线性弹性模量，G是扭转弹性模量，υ是泊松比，α是热胀系数。结果，β^Φ是复合乘积形式的有效内在材料特性的函数(也就是，纯乘积形式，诸如单向带状薄板)。薄板特性在隐损坏函数公式中不使用。内分层损坏函数也是变形的当前状态的函数，所以是变量而不是常数。

一旦满足方程(12)，内分层损坏函数在方程(12)的变形状态下工作，以获得与不可逆转地变形的复合结构的峰值容量(或损坏不稳定的开始)相对应的最终变形状态。内分层损坏函数λ，可以是有效薄板固有材料特性和导出实体(诸如分散能量和从其分散能量的体积)二者的函数。所以，内分层损坏函数λ也是变量。

可以使用人工智能方法和系统来实现SIFT，例如执行MER分析。具体地，人工智能装置或模块可以设置有问题陈述和支持信息，以适当定义所要解决的问题，也就是，用于解析MER分析的方程、隐损坏函数、以及用于其实现方式的规则和策略。

为了获得给定变形的复合结构的极限载荷容量(关于损坏不稳定的载荷环境)，对能量域(即，包围对于损坏不稳定性评估的应变定位的域)内的各高斯点的应变不变量进行估算，例如使用上述方程(1)-(3)和(9)-(11)。然后，通过隐损坏函数λ，使根据方程(12)在MER点处的最终变形配置(DF^MER)起作用，以获得复合结构的期望变形配置。与复合结构的极限载荷容量(或损坏不稳定性)相对应的变形配置是：

DF^final＝DF^MERλ                           (13)

在以下参考文献中对SIFT的理论和实现做了进一步描述，各文献的全部内容在此以引用的方式并入本文：“Strain Invariant Failure Theory；Failure Theory and Methodologies for Implementation，”作者Jon Gosse，可以获得该文的网址是http://www.compositn.net/Downloads/Presentation％20-％20Modelling％20-％20Boeing.pdf；“Damage progression by theelement-failure method(EFM)and strain invariant failure theory(SIFT)，”作者T.E.Tay、S.H.N.Tan、V.B.C.Tan和J.H.Gosse，Composites Science andTechnology 65(2005)，935-944，December 2004；“Application of a First InvariantStrain Criterion For Matrix Failure in Composite Material，”作者R.Li、D.Kelly、和R.Ness，Journal of Comosite Materials，November 2003，vol.37，no.22/2003，pp.1977-2000；以及“Methodology for Comosite Durability Assessment，”作者Stephen W.Tsai和John L.Townsley，September 2003 SAMPE TechnicalConference，Dayton，Ohio。

下述系统和方法可以用于分析由包括非复合材料(诸如金属)的各种材料等形成的结构构件。然而，本发明特别适用于由复合材料形成的结构构件(如图1的复合结构构件10)的分析和制造，用常规的方法对其进行分析可能比较困难。

图2示意性图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的载荷容量的系统20。系统20包括多个模块或者组件，它们可以是分开的独立装置、或者集成为一个或多个装置。例如，系统20可以包括带有处理器或控制器22、存储器24以及输入/输出端口的计算机，并且系统20可以配置成一个或多个模块工作。在有些情况下，各模块可以是计算机程序产品的可执行部分，也就是存储在诸如存储器24的计算机可读介质上的计算机软件程序的计算机可读程序代码部分。各模块可以与其他模块分开或集成在一起，并且，各模块可以与其他模块运行的装置在分开或相同的计算机或其他装置上运行。

图2中还图示了系统20的各种模块之间的典型数据通信，并在下面进行描述；然而，应当理解，各模块可以配置成与其他模块中的一些或全部进行通信，而且，模块可以根据不同通信协议中的任何一种进行通信。传送进入系统20的、系统20中的、以及来自系统20的数据，可以作为文件、时变信号等进行通信，并且，根据模块的配置，可以作为内部或外部通信在模块之间进行通信。例如，在一种实施方式中，模块通过以连续存储并及检索文件中的数据进行通信，而文件可以存储在存储器、软盘驱动器等之中。具体地，各种模块可以向与控制器22关联的存储器传送数据或从中接收数据。

如图2所示，系统20包括输入/输出模块30，用于接收来自用户的信息以及给用户提供信息。输入/输出模块30可以包括用于接收用户输入的输入装置，如键盘等，以及用于给用户显示信息的视频监视器或其他装置。输入/输出装置30可以是独立受控的装置，诸如个人计算机或计算机工作站。可选择地，如图2所示，输入/输出装置可以受控制器22控制，控制器22可配置成与系统20的其他模块进行通信和/或对其进行控制。

输入/输出模块30配置成向模型生成器模块32传送数据。因此，模型生成器模块32可以配置成经由输入/输出模块提供参数化的用户界面，用户可以借助于该输入/输出模块来输入模型数据以定义结构构件的模型配置。模型生成器模块32还可以配置成从用户接收关于结构构件的所有材料特性。然而，材料处理器模块34通常被提供用于从数据库模块36中接收或检索至少一些数据，数据库模块36可以包括一个或多个数据库38、40，使得用户无需输入数据。因此，材料处理器模块34配置成接收或检索关于结构构件的数据，例如，通过接收来自模块产生器模块32的输入模块数据，以及通过从数据库模块36的一个或多个数据库38、40中检索对应的材料特性数据。材料处理器模块34可以向系统20的其余部分提供数据用于分析。具体地，可以给分析模块42、微机械增强器分析程序包44、SIFT分析模块46和/或概率模块50提供数据。

图3中图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的操作。如图所示，模型数据通常由用户使用输入/输出模块30输入到系统20中。参见方块60。基于用户输入的模型数据，模型生成器32给材料处理器模块34提供设计基础值，即，作为被建模的结构构件的特征和对结构构件建模的条件的数据。材料处理器模块34从数据库模块36检索与模型结构构件的材料相对应(即，根据模型数据)的材料特性数据。参见方块62。模型数据和材料数据被作为分析数据提供给分析模块42，分析模块42通常执行有限元分析，以生成代表结构构件的均质分析数据。参见方块64。分析模块42还显示作为结构构件的图形表示的数据。参见方块66。微机械增强器分析包模块44接收均质分析数据，并生成增强分析数据，其包括增强的一组应变张量。增强应变张量是关于复合构件的失效条件的特征。即，增强应变张量代表在导致构件失效的最小条件下结构构件的微机械行为。参见方块68。SIFT分析模块46接收增强分析数据，并执行数据的SIFT分析，从而生成结果数据，其代表在结构构件中导致损坏不稳定性的载荷条件、不稳定性的可能位置、以及不稳定性的可能方向和/或行进路径。参见方块70。结果数据可以由执行概率分析的概率模块50进行进一步分析，以确定结果数据中的可能变化，其可能由于结构构件的材料或复合方面的概率上的可能变化、结构构件的几何结构方面的变化等而发生。参见方块74。由各分析模块产生的数据可以被存储和/或报告，例如，通过将数据存储成计算机文件和/或在视频监视器上向用户显示数据的图形表示。参见方块72。

图4和图5更详细地示意性示出根据本发明一种实施方式的用于分析由复合材料制成的结构构件的载荷容量的系统20的选择部分的工作。如上所述，模型生成器32接收模型数据，通常来自诸如键盘、鼠标或其他装置的输入/输出模块30，或者来自预先构造的数据文件。参见方块80。模型数据可以包括构件的物理结构的信息特征，诸如构件的几何形状；形成构件的特定材料；材料的配置，诸如复合结构构件的基体材料中纤维的层的结构、尺寸、数量以及布局；以及构件的层、层板或其他部分的结构、尺寸、数量以及布局。另外，模型数据可以包括载荷数据，即结构构件的载荷条件的信息特征，诸如施加于结构构件的载荷或力的幅度、位置、方向和定时(timing)；结构构件所暴露于的热条件的幅度、位置和定时，诸如存在于构件一端或多端的热边界条件；结构构件所在环境中的湿度或其他条件的幅度、位置、定时和类型；以及复合构件的其他特征，其环境及其使用。

经由输入/输出模块30，模型生成器可以提供参数化的用户界面，例如图形用户界面，用户可以用其定义关于复合构件模型的各种预定义参数的值，包括但不局限于关于形状、几何结构以及复合构件模型的复合方式的参数，以及作为时间的函数的施加于复合构件模型的每个载荷、温度、湿度和其他条件。

基于用户输入，模型生成器模块32向材料处理器模块34提供设计基础值，包括：复合构件的纤维和基体材料；构件的层板、纤维和/或其他组分的数量及配置；以及代表复合构件的测试或使用条件的值，诸如使用的时间或持续时间、湿度规范、温度规范以及载荷规范。参见方块82。

材料处理器模块34接收来自模型生成器模块32的输入模型数据，并从一个或两个数据库38、40中检索材料特性数据。参见方块84。基本材料数据库38包含关于可形成复合构件的一种或多种材料的材料特性的信息。参见方块86。存储在基础材料数据库38中的数据可以根据物理测试所得到的测试数据生成。参见方块94。对于各种类型的复合材料，测试数据可以包括如下信息：复合材料的纤维和树脂的名称；复合材料单位体积中的纤维体积；复合材料处于基本无应变的温度；关于单向复合材料的载荷与应变之间的增量关系；代表具有不同纤维取向的单向试件的典型失效应变的值。参见方块92。

临界值计算器模块配置成接收机械单向测试数据，并使用该测试数据生成复合材料的临界应变不变量值。参见方块90。具体地，通过进行单向测试试样的测试，并在失效位置处求解上述方程(1)-(3)，可以经验地确定临界应变不变量值。

因此，除了任何测试数据之外，基本材料数据库38可被提供有与各材料的如下特性相对应的值：纤维模量，即复合材料的纤维的弹性模量；基体模量，即复合材料的基体材料的弹性模量；代表各纤维和基体材料的热胀系数；代表各纤维和基体材料的泊松比；复合材料的纤维和/或层板或层的厚度或者其他几何形状；材料处于无应变时的复合材料的温度；以及关于材料的临界应变不变量。参见方块88。存储在基本材料数据库中的这些或其他值，可以由临界值计算器通过经验地确定(如通过材料测试)的值的人工或自动输入、通过理论确定的值的人工或自动输入或通过其他方法来加以提供。

加速寿命材料数据库40包含通常代表基本材料特性的变化的信息，诸如由于包括时间消逝的寿命条件而可能出现的特性的变化；暴露的环境条件诸如湿度、静态温度或循环温度变化；以及物理载荷特性包括载荷的幅度和频率。参见方块96。存储在加速寿命材料数据库40中的数据，可以根据从物理测试(即加速寿命材料测试)得到的测试数据生成，如图4所示。参见方块104。例如，测试数据可以包括材料名称、以及代表在不同条件下(诸如暴露于大气条件、加载等之后)被测试的各种材料的材料特性的相关值。参见方块102。

为生成存储在加速寿命材料数据库40中数据所进行的材料测试的结果，可以在叠合曲线(master curve)生成器模块中进行处理。参见方块100。特别地，叠合曲线生成器模块可以生成叠合曲线，其结合了修正因子以考虑材料的各个寿命条件。例如，叠合曲线可以提供修正因子，用于修正各不同材料的临界应变不变量、泊松比、弹性模量以及热胀系数，以对寿命条件诸如老化(age)、对温度的暴露、或者对载荷的暴露进行调整。参见方块98。叠合曲线生成器可以计算这样的修正因子和叠合曲线，例如，通过从寿命材料测试外推数据，使得叠合曲线生成器可以生成关于未经测试的寿命条件的修正因子和曲线数据，诸如长期暴露于特定和/或极端温度、湿度或载荷条件。在有些情况下，这些和其他的曲线或数据可以另外提供并存储在加速寿命材料数据库中，例如，由经验地确定如通过材料测试确定的值的人工或自动输入、由理论确定的值的人工或自动输入或由其他方法来加以提供。加速寿命材料数据库40和基本材料数据库38在有些实施方式中也可以由单个组合数据库提供。

因此，模型生成器模块32和材料处理器模块34配置成提供代表复合构件的特定配置和工作条件的数据，使得该数据可以用来执行建模操作。由此，模型生成器模块32和材料处理器模块34配置成向分析模块42传送分析数据。分析数据通常包括关于几何形状、载荷、位移、温度等的信息。参见方块110。分析数据可以包括关于各使用条件的规范，并且各规范可以表明在一段特定使用时期上一个或多个条件的变化，诸如载荷规范表明间隙性载荷或者在时间上不均匀的载荷。分析数据可以由模型生成器模块32和材料处理器模块34之一或二者提供。例如，如图4所示，模块生成器模块32可以提供一部分分析数据，如与几何形状、位移和温度有关的数据，而材料处理器模块34则可以提供其余数据，如材料特性。参见模块106、108。可选择地，数据也可以用其他方法提供，如由用户人工输入，或者来自另一基于计算机的分析工具的自动输入。在任何情况下，可以根据加速寿命值(如由叠合曲线生成器生成的叠合曲线)对数据进行修改，以反映由延长的时间消逝、暴露于特定环境条件等所导致的材料特性的变化。

分析数据被传送或者以其他方式提供给分析模块42，分析模块42通常执行分析数据的均质材料分析。例如，分析模块42可以是用于执行有限元分析的各种常规计算机软件包的任何一种，诸如从ESRD，Inc.可以购得的StressCheck、从Canonsburg，PA的ANSYS，Inc.可以购得的分析程序等。如图4所示，分析模块42可以包括一种或多种分析工具，诸如“h元”有限元建模软件包、或“p元”有限元建模软件包，这些软件包在业界都是已知的。参见方块112、114。借助于“均质材料分析”，意味着分析模块将复合构件建模为具有均质或均匀的层或部分，即使被建模的实际复合构件在各层或部分内可能是不均匀的，例如，包括具有明显不同的特性的纤维、基体材料、三维编织等。参见方块116。均质数据通常包括分析数据以及复合构件的各层或层板的所有节点或高斯点的应变张量的完整集合(机械、热二者等)。

然后，分析模块42将均质分析数据传送至微机械增强器分析包模块44。另外，分析模块42或者微机械增强器分析包模块44还可以提供可视化能力，例如，通过图示复合构件施加的载荷或其他条件、由该载荷和条件在复合构件中产生的应力和应变、失效点和模式等的图形表示。可以在输入/输出模块30的视频监视器(如阴极射线管或液晶显示器)上直接向用户提供图形表示，使得用户可以确认输入的模型和条件的特征和/或反复修改模型或条件。

微机械增强器分析包模块44接收均质数据并生成增强分析数据。参见方块118。具体地，微机械增强器分析包模块44生成应变张量的增强集合，其反映在用户定义的热边界条件下复合材料的纤维和基体的交互微机械行为。参见方块120。另外，微机械增强器分析包模块44生成应变张量的增强集合，其反映在纤维或基体开始失效所必需的机械条件下纤维和基体的交互微机械行为。具体地，微机械增强器分析包模块44确定失效所需的最小条件和首先失效的位置。由微机械增强器分析包模块44传送的增强分析数据，除被增强以反映纤维和基体材料的交互微机械行为的应变张量(机械的、热的等)之外，通常包括均质分析数据。也提供了用于确定为对应于失效开始的条件的应变张量。

通过分析明确包含感兴趣的基体和纤维材料的复合材料的代表体积，确定增强因子，其用于从均质数据生成关于复合材料的增强分析数据。代表体积通常包括所有在感兴趣的复合构件中代表复合系统中所有材料所必须的所有特性，例如，线弹性模量和扭转弹性模量、热胀系数、泊松比、构成复合系统中的每种材料的体积分数、任何各向异性材料的方向性等。然后，在感兴趣的载荷条件(如施加的位移、载荷或二者)、以及温度变化下，可以对此代表体积进行分析，以确定在代表体积的不同材料元内在选定位置处的应变放大率。然后，将在与六张量应变状态以及温度变化对应的各载荷条件下代表体积的不同材料元中选定位置处的这些被放大的应变进行正规化，并使用其作为用于分析的微机械增强因子。使用这些因子，通过将均质应变乘以复合系统中各感兴趣的位置(例如在复合纤维和基体材料内部)的增强因子，将均质分析数据转换成增强分析数据，以确定在复合构件中各感兴趣的位置处的增强应变值。

增强分析数据可以提供给SIFT分析模块48，诸如最大能量保持(MER)分析模块，其配置为分析增强数据以生成结果数据。参见方块122。SIFT分析模块48接收关于感兴趣的结构内的多个高斯点的增强数据，并使用该数据以求解如上所述的方程9-12。该模块48求出存在于纤维内各感兴趣的位置处的增强应变的完整集合，并比较所得出的应变不变量与临界应变不变量，以确定在复合构件内的特定位置上是否存在损坏。

如果想得到关于损坏行进而不是简单的损坏存在的分析信息，有可能以迭代或渐进的方式评定损坏行进。这需要用于表示特定位置中损坏的存在、并在适当考虑损坏的存在的情况下重复分析的方法。有几种可能的方法用于执行这类迭代分析，T.E.Tay、S.H.N.Tan、V.B.C.Tan和J.H.Grosse的“Damage progression by the element-failure method(EFM)and straininvariant failure theory(SIFT)”中概述了其中之一，上文已对其加以引用。

在SIFT分析模块48中执行的分析的结果被作为结果数据而从各个模块输出。参见方块124。结果数据可以输出给用户和/或分析模块42，例如，用于存储为数据文件，或者用于利用分析模块42的图形显示能力来生成结果数据的图形表示。

结果数据也可以提供给概率模块50。参见方块126。概率模块50通常识别由于制造、安装和/或材料变化而在复合构件中产生的可能变化对结果数据的影响。例如，概率模块50可以存储或者概率地确定复合构件的纤维和基体相的材料的可能变化、纤维相材料的量或配置的变化、构件的整体形状或配置的变化等。于是，概率模块50可以执行复合构件的分析，例如，使用其他分析模块42、44、46，假定不同的概率可能变化。因此，可以确定并存储增强分析数据、以及关于这些可能变化的每一种的结果数据。概率模块50可以使用增强分析数据来确定什么载荷条件在统计学上最可能导致失效起始，使用SIFT结果数据来确定什么载荷条件在统计学上最可能导致损坏不稳定性或传播，以及当将可能变化结合到模型中时损坏不稳定性或传播的可能方向和/路径。来自概率模块50的输出数据可以提供成分析文件，也可以将其存储或经由输入/输出模块30报告给用户。

在有些情况下，系统20可以配置成自动调整已建模的复合构件的属性并据此重新分析该构件。例如，在方块124处计算了结果数据或者在方块126处从概率模块50输出之后，系统20可以自动调整模型数据，以反映对复合构件的尺寸、复合构件的材料、构件的几何结构等的调整。这种调整通常由模型生成器32或者分析模块42、44、46、50之一执行，或者也可以由控制器22的另一部分或单独的装置执行。系统然后可以返回到方块80，以使用调整过的模型数据重新分析复合构件。因此，系统20可以配置成迭代地分析并调整模型数据，直至提供达到预定准则(如对于给定的概率可能变化的最小载荷容量、以及诸如重量或尺寸标准的模型数据的偏好)的一组模型数据。

根据本发明的说明和相关附图，本领域技术人员可以受到启发而对本发明加以改进。所以，应当理解本发明并不局限于所披露的特定实施方式，其改进以及其他实施方式也包括在所附权利要求的范围内。尽管在此采用了特定术语，但只是在一般叙述意义上加以使用而非出于限制的目的。

Claims (16)

1.一种用于分析复合构件的载荷容量的系统，所述系统包括：

输入/输出模块，用于从用户接收模型数据；

模型生成器模块，配置成经由所述输入/输出模块提供界面，以及从所述输入/输出模块接收所述模型数据；

数据库模块，包括关于多个复合材料的材料特性的至少一个数据库；

材料处理器模块，配置成从所述模型生成器模块接收所述模型数据，以及从所述数据库模块中检索对应的材料特性数据；

分析模块，配置成根据来自所述材料处理器模块的所述材料特性数据执行所述模型数据的有限元分析，以生成代表所述复合构件的均质分析数据，包括关于所述复合构件的高斯点的应变张量的集合；

微机械增强器分析包模块，配置成接收所述均质分析数据并生成增强分析数据，所述增强分析数据包括关于所述复合构件的失效条件的应变张量特征的增强集合；以及

应变不变量失效理论分析模块，配置成接收所述增强分析数据并使用分析的应变不变量失效理论，以生成代表所述复合构件中导致损坏不稳定性的载荷条件的结果数据；

其中所述材料处理器模块被配置成提供关于所述复合构件的所述复合材料的至少一个纤维相临界应变不变量和提供关于所述复合构件的复合材料的至少一个基体相临界应变不变量，以及，所述分析模块、所述微机械增强器分析包模块和所述应变不变量失效理论分析模块被配置成对不同预定载荷重复下列步骤，从而计算与最大保持能量相对应的临界载荷：

确定关于所述复合构件的复合材料的多个基体相应变不变量值，每个基体相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的预定载荷所致的所述复合构件的基体相的多个高斯点之一的应变条件；

确定关于所述复合构件的复合材料的多个纤维相应变不变量值，每个纤维相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的所述预定载荷所致的所述复合构件的纤维相的多个高斯点之一的应变条件；

比较每个基体相应变不变量值与所述基体相临界应变不变量，并比较每个纤维相应变不变量值与所述纤维相临界应变不变量，以识别关于所述预定载荷的每个高斯点的临界状态；以及

确定关于所述预定载荷的总应变能的划分，根据所述高斯点的所述临界状态，将所述总应变能在保持能量和分散能量之间进行划分。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

概率模块，配置成确定所述结果数据中由于由以下构成的群组中的一个或多个而使得在概率上可能发生的至少一个变化：所述复合构件的材料的变化和所述复合构件的几何结构的变化。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述应变不变量失效理论分析模块配置成生成结果数据，所述结果数据包括由以下构成的群组中的至少一个：所述不稳定性行进的可能方向和路径。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述应变不变量失效理论分析模块被配置成划分与每个临界高斯点相关联的应变能作为分散能量、以及与每个非临界高斯点相关联的应变能作为保持能量，从而确定所述总应变能的划分。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述应变不变量失效理论分析模块被配置成通过基于所述复合构件的薄板特性、根据隐损坏函数来确定最大能量保持，以计算所述临界载荷。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述应变不变量失效理论分析模块被配置成通过根据所述复合构件的保持能量对于所述复合构件的总内应变能的比来确定损坏函数，以计算所述临界载荷。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被配置成调整所述模型数据，以根据所计算出的载荷容量调整所述复合构件的尺寸。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据库模块包括多个数据库，至少一个所述数据库包括加速寿命材料信息，所述加速寿命材料信息代表由于由以下构成的群组中的至少一个所导致的所述材料特性方面的变化：时间消逝、暴露于湿度、暴露于温度、以及物理载荷。

9.一种用于分析复合构件的载荷容量的方法，所述方法包括以下步骤：

接收模型数据，所述模型数据是所述复合构件的配置和载荷条件的特征，

从数据库检索材料数据，所述材料数据是所述复合构件材料的材料特性的特征，其中所述材料数据包括关于所述复合构件的复合材料的至少一个基体相临界应变不变量以及关于所述复合构件的复合材料的至少一个纤维相临界应变不变量；

执行所述模型数据的有限元分析并生成分析数据，所述分析数据包括关于所述复合构件的多个节点的应变张量；

接收所述分析数据并生成增强分析数据，所述增强分析数据包括关于所述复合构件的失效条件的应变张量特征的增强集合；以及

分析所述增强分析数据以生成结果数据，所述结果数据代表导致所述复合构件中损坏不稳定性的载荷条件和不稳定性的可能位置；

其中对于不同的预定载荷，重复以下步骤以计算与最大保持能量相对应的临界载荷：

确定关于所述复合构件的复合材料的多个基体相应变不变量值，每个基体相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的预定载荷所致的所述复合构件的基体相的多个高斯点之一的应变条件；

确定关于所述复合构件的复合材料的多个纤维相应变不变量值，每个纤维相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的所述预定载荷所致的所述复合构件的纤维相的多个高斯点之一的应变条件；

比较每个基体相应变不变量值与所述基体相临界应变不变量，并比较每个纤维相应变不变量值与所述纤维相临界应变不变量，以识别关于所述预定载荷的每个高斯点的临界状态；

确定关于所述预定载荷的总应变能的划分，根据所述高斯点的所述临界状态，将所述总应变能在保持能量和分散能量之间进行划分。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

执行所述结果数据的概率分析，以确定由于由以下构成的群组中的至少一个的在概率上可能发生的变化所导致的所述结果数据的变化：所述复合构件的材料和所述复合构件的几何结构。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述结果数据包括由以下构成的群组中的至少一个：所述不稳定性的可能方向和行进路径。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述确定关于所述预定载荷的总应变能的划分的步骤包括：划分与每个临界高斯点相关联的应变能作为分散能量、以及与每个非临界高斯点相关联的应变能作为保持能量。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述计算临界载荷的步骤包括基于所述复合构件的薄板特性、根据隐损坏函数，确定最大能量保持。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述计算临界载荷的步骤包括根据所述复合构件的保持能量对于所述复合构件的总内应变能的比确定损坏函数。

15.根据权利要求9所述的方法，还包括根据所计算出的载荷容量调整所述复合构件的尺寸。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述材料数据是加速寿命材料信息，所述加速寿命材料信息代表由于由以下构成的群组中的至少一个所导致的所述材料特性方面的变化：时间消逝、暴露于湿度、暴露于温度、以及物理载荷。

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