CN105352816A

CN105352816A - 一种复合材料结构失效预测分析方法

Info

Publication number: CN105352816A
Application number: CN201510853206.3A
Authority: CN
Inventors: 洪海铭; 王佳莹; 赵丽滨
Original assignee: Shenyang Aircraft Design and Research Institute Aviation Industry of China AVIC
Current assignee: Shenyang Aircraft Design and Research Institute Aviation Industry of China AVIC
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-02-24

Abstract

本发明提供一种复合材料结构失效预测分析方法，结合湿热应变的影响，建立了表述各向异性复合材料在湿热环境影响下的应力应变关系的本构方程。同时，结合渐近损伤分析方法，在应力分析模型、失效准则和材料退化模型三个方面均引入了湿热效应对于材料刚度和强度等参数的影响，并编译了UMAT子程序并打包嵌入到有限元软件中，最终建立了可用于湿热环境下复合材料失效分析的更为完善的渐进损伤模型。本发明与现有的各类复合材料结构失效渐近损伤分析方法相比，考虑了湿热效应对于各向异性复合材料失效行为的影响，能够准确的表征材料在湿热环境下的损伤过程，适用于温度和湿度等条件更加复杂的情况下复合材料结构损伤过程的模拟和强度的预测。

Description

一种复合材料结构失效预测分析方法

技术领域

本发明涉及复合材料结构失效分析的技术领域，具体涉及一种考虑湿热效应因素影响的复合材料结构失效预测分析方法，适用于目前广泛使用的各种复杂纤维增强树脂基复合材料结构。

背景技术

先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可剪裁设计和易于整体成形等许多优异的特性，可以显著降低飞机结构的重量，提高飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性，其应用范围已经从最初的非承力结构、次承力结构扩展到主承力结构。目前，先进复合材料在飞机机体结构中的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标。同时，对复合材料结构进行准确的失效分析就成为了飞机结构设计的关键环节。然而，由于复合材料的各向异性和对湿热环境的敏感性，对复合材料结构的研究和认识就变得异常困难。尽管众多学者在复合材料结构应力分析、失效理论和强度预测方法等方面做了大量研究，但是对于湿热环境下先进复合材料结构的失效分析尚缺乏足够的理解。

近些年来，基于先进的有限元分析技术和损伤力学原理，渐进损伤方法在复合材料结构分析领域展现了显著的优越性。渐进损伤方法主要包括应力分析、失效准则选择和材料退化模型三方面的内容。它通过应力分析获得复合材料结构的应力分布，采用适当的失效准则评价材料的失效行为，并建立适当的损伤材料力学模型模拟复合材料结构损伤过程，揭示复合材料结构的失效机理。通过渐进损伤分析，不仅可以预测复合材料结构初始损伤部位及初始破坏强度，还可以追踪损伤扩展路径，模拟从初始损伤到极限破坏的全过程，同时还可以确定结构的极限强度和剩余强度。该方法明确的分析思路和直观的分析结果为人们深入理解复合材料结构的力学特性提供了重要的途径，成为当前复合材料结构分析一种重要手段。

但由于复合材料对湿热环境的敏感性，在不同温度和湿度的工作环境中必然表现出不同的特性。一般来说，高温和潮湿环境会明显削弱基体和纤维的力学性能，导致复合材料的失效过程和退化行为变得极其复杂。因此，合理地确定湿热效应影响下的复合材料属性，建立适当的渐进损伤分析模型，引起了学者们的重点关注。

现在亟需解决的技术问题是如何设计一种复合材料结构失效预测分析方法，以解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种复合材料结构失效预测分析方法

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种复合材料结构失效预测分析方法，用于复合材料结构损伤过程的模拟和强度的预测，包括如下步骤：

S1，对于给定的复合材料结构，测量并记录结构当前的温度和吸湿量；

S2，在复合材料结构三维有限元模型内，定义热膨胀系数α、湿膨胀系数β，输入当前温度相对于温度增量ΔT以及吸湿量c；

S3，基于温度增量ΔT，计算考虑温度和湿度影响的材料刚度和强度参数，并建立材料刚度矩阵C0；

S4，施加位移载荷，依据ε^ht＝αΔT+βc计算得到在此温度和湿度条件下的湿热应变，并得到结构的应力分布σ＝C(ε-αΔT-βc)；

S5，采用Hashin类失效准则判定复合材料的失效状态；

S6，满足失效准则，则材料发生失效；此时，根据给定的材料退化模型对相应部位材料进行退化，并在第k增量步时采用

Ck＝Cd和σk＝Ck·(εk-1+Δεk)

分别更新刚度矩阵和应力分布状态；

S7，更新应力分布状态σk＝σk-1+Ck·Δεk，如果没有满足失效准则，则材料无损伤，材料刚度不变Ck＝Ck-1；

S8，判断位移是否达到给定的位移载荷。

上述方案中优选的是，所述S3实现的过程步骤包括：

S3-1，更新相应湿热条件下的材料刚度参数，由如下公式计算而得，

\frac{E_{1}^{t}}{E_{1}} = {(T^{*})}^{0.04}, \frac{E_{2}^{t}}{E_{2}} = {(T^{*})}^{0.04}, \frac{G_{12}^{t}}{G_{12}} = {(T^{*})}^{0.5}, T^{*} = (T_{g} - T) / (T_{g} - T_{0})

其中，E1、E2和G12均为基本的复合材料模量参数，而带有角标t的相应参数则为相应温度影响下的材料参数的修正值；Tg为该材料玻璃态转变温度，T为当前温度，T₀是室温，并且T＝T₀+ΔT；

S3-2，更新相应湿热条件下的材料强度参数，由如下公式计算而得，

\frac{X_{t}^{t}}{X_{t}} = (V_{f}^{t} / V_{f}) {(T^{*})}^{0.04},

\frac{X_{c}^{t}}{X_{c}} = \frac{Y^{t}}{Y_{t}} = \frac{Y_{c}^{t}}{Y_{c}} = (V_{f}^{t} / V_{f}) {(T^{*})}^{0.04} {(T^{*})}^{0.5},

\frac{S^{t}}{S} = {(T^{*})}^{0.2}

其中，Xt、Xc、Yt以及S是基本的复合材料强度参数，V_f为纤维体积分数，带有角标t的相应参数仍为相应温度影响下材料参数的修正值。

上述任一方案中优选的是，S3-2中，近似取值为1。

上述任一方案中优选的是，S6的实现过程包括如下步骤：

S6-1，基于所述S5判定的失效状态，列出的材料退化模型更新材料属性；

S6-2，更新材料刚度矩阵；

S6-3，更新损伤材料的应力；

S6-4，执行S8。

上述任一方案中优选的是，S6-2中材料刚度矩阵与损伤后材料刚度矩阵相同。

上述任一方案中优选的是，S6-2中的所述损伤后材料刚度矩阵由退化后的材料弹性常数计算而得。

本发明所提供的飞机寿命周期重量实时监控方法的有益效果在于：

(1)本发明考虑了湿热效应因素对于复合材料刚度和强度等参数的影响，结合湿热应变的影响，建立了表述各向异性复合材料在湿热环境影响下的应力应变关系的本构方程，进而建立了修正的材料刚度矩阵；

(2)本发明基于复合材料结构失效的渐进损伤分析方法，建立了可用于湿热环境下复合材料失效分析的更为完善的渐进损伤模型，并在应力分析模型、失效准则和材料退化模型中均引入了湿热效应的影响；

(3)本发明采用了针对Hashin类失效准则的材料退化模型，根据不同的失效模式只对相应的材料参数进行退化。与现有的退化模型相比，能够更为准确地计算材料损伤后的性能；

(4)本发明可以追踪结构在失效过程中，失效区域的起始、扩展以及最终失效的情况，给出在达到失效时各个铺层的损伤状况以及失效模式；

(5)本发明可以分析湿热条件在复合材料失效过程中的影响，为复合材料设计提供了参考依据。

附图说明

图1是按照本发明的复合材料结构失效预测分析方法的一优选实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了更好地理解按照本发明方案的复合材料结构失效预测分析方法，下面结合附图对本发明的复合材料结构失效预测分析方法的优选实施例作进一步阐述说明。

如图1所示，本发明基于连续损伤力学退化模型的复合材料结构失效分析方法的具体实现为：

1.对于给定的复合材料结构，测量并记录结构当前的温度和吸湿量；

2.基于复合材料结构三维有限元模型，设定热膨胀系数α、湿膨胀系数β，并输入当前温度相对于室温的增量ΔT以及吸湿量c；

3.基于温度增量ΔT，计算得到考虑温度和湿度影响的材料刚度和强度参数，首先更新相应湿热条件下的材料刚度参数，由如下公式计算而得，

\frac{E_{1}^{t}}{E_{1}} = {(T^{*})}^{0.04}, \frac{E_{2}^{t}}{E_{2}} = {(T^{*})}^{0.04}, \frac{G_{12}^{t}}{G_{12}} = {(T^{*})}^{0.5}, T^{*} = (T_{g} - T) / (T_{g} - T_{0})

其中，E1、E2和G12均为基本的复合材料模量参数，而带有角标t的相应参数则为相应温度影响下的材料参数的修正值；Tg为该材料玻璃态转变温度，T为当前温度，而T0指的是室温，并且T＝T0+ΔT；

然后更新相应湿热条件下的材料强度参数，由如下公式计算而得，

\frac{X_{t}^{t}}{X_{t}} = (V_{f}^{t} / V_{f}) {(T^{*})}^{0.04},

\frac{X_{c}^{t}}{X_{c}} = \frac{Y^{t}}{Y_{t}} = \frac{Y_{c}^{t}}{Y_{c}} = (V_{f}^{t} / V_{f}) {(T^{*})}^{0.04} {(T^{*})}^{0.5},

\frac{S^{t}}{S} = {(T^{*})}^{0.2}

其中，Xt、Xc、Yt以及S是基本的复合材料强度参数，Vf为纤维体积分数，带有角标t的相应参数仍为相应温度影响下材料参数的修正值，由于纤维体积分数被普遍认为是受温度影响很小的，因此方程中的可以近似为1。

之后，建立材料刚度矩阵C0。

4.施加位移载荷，依据ε^ht＝αΔT+βc计算得到在此温度和湿度条件下的湿热应变，同时计算得到结构的应力分布σ＝C(ε-αΔT-βc)；

5.采用Hashin类失效准则判定复合材料的失效状态；

6.如果满足失效准则，则材料发生失效；此时，基于步骤5判定的失效状态，根据本发明给定的表2的材料退化模型对相应部位材料进行退化，表2针对Hashin类失效准则的材料退化模型

表2

表中横向的各项指标分别代表发生相应的失效模式时各材料参数的退化系数；dft代表纤维拉伸失效后的退化系数，dfc代表纤维压缩失效后的退化系数，dfm1和dfm2代表纤基剪切失效后的退化系数；另外，表格中的参数γ代表相应的材料参数将被退化为零，但为了避免数值分析过程中的收敛性问题，这里将γ设定为一个近似为零的极小正值；以第一行为例，当发生基体拉伸失效时，和ν₁₃均保持不变，而其他的所有参数均退化为γ乘上相应的初始值；

接着在第k增量步时采用Ck＝Cd和σk＝Ck·(εk-1+Δεk)分别更新刚度矩阵和应力分布状态并跳转到步骤8，其中Cd代表损伤后材料刚度，由退化后的材料弹性常数计算而得。

7.如果没有满足失效准则，则材料无损伤；此时，材料刚度不变Ck＝Ck-1，只更新应力分布状态σk＝σk-1+Ck·Δεk并跳转至步骤8；

8.判断位移是否达到给定的位移载荷，若尚未达到，则增加位移，返回步骤4，重复计算；若达到给定位移，则停止计算，输出分析过程中的载荷-位移曲线，分析载荷位移曲线，在载荷突降处认为结构已经失去承载能力，此时的载荷即为结构的极限载荷。

实施例1：典型复合材料孔板结构的拉伸失效分析典型复合材料孔板由T300级碳纤维增强环氧树脂复合材料制成，铺层顺序为[45/-45/0/-45/0/45/0/45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/45/-45/90/0]s，单层厚度为0.12mm。材料纤维体积分数V_f约为63％，玻璃态转变温度约为260℃，热膨胀系数分别为α1＝0.25×10-6/K，α2＝32.6×10-6/K，湿膨胀系数分别为β1＝0，β2＝0.6×10-6，γ设定为10-6，并且，基于已有的材料退化系数计算方法，计算各退化系数如下：

d_ft＝0.00874；d_fc＝0.0693；d_fm1＝0.061；d_fm2＝0.18

1.根据复合材料孔板结构的几何参数在有限元软件ABAQUS中建立该结构三维有限元模型，将孔板长度方向的一个自由端完全约束，在另一个自由端施加3mm的拉伸位移载荷。

2.采用Fortran语言将建立的考虑湿热效应影响的渐进损伤模型编写程序，通过调用ABAQUS中的UMAT子程序进行渐进损伤失效分析；

3.将通过渐进损伤失效分析得到的孔板失效强度与试验结果比较，在不同的温度和湿度条件下误差均在5.0％以下，且失效模式与失效位置均相同；

表3试验与数值结果

4.从计算结果对比中可以看出，采用本发明所提出的考虑湿热效应因素影响的复合材料结构渐进损伤分析方法能够很好地预测复合材料机械连接结构在不同的温度和湿度条件下的失效载荷、失效模式和失效位置。

以上结合本发明的复合材料结构失效预测分析方法具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制，本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改均属于本发明的技术范围，还需要说明的是，按照本发明的复合材料结构失效预测分析方法技术方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。

Claims

1.一种复合材料结构失效预测分析方法，用于复合材料结构损伤过程的模拟和强度的预测，其特征在于，包括如下步骤：

S5，采用Hashin类失效准则判定复合材料的失效状态；

Ck＝Cd和σk＝Ck·(εk-1+Δεk)

分别更新刚度矩阵和应力分布状态；

S7，如果没有满足失效准则，则材料无损伤；此时，材料刚度不变Ck＝Ck-1，只更新应力分布状态σk＝σk-1+Ck·Δεk；

S8，判断位移是否达到给定的位移载荷，若尚未达到，则增加位移，返回步骤D，重复计算；若达到给定位移，则停止计算，输出分析过程中的载荷-位移曲线；分析载荷位移曲线，在载荷突降处认为结构已经失去承载能力，此时的载荷即为结构的极限载荷。

2.如权利要求1所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S3实现的过程步骤包括：

\frac{E_{1}^{t}}{E_{1}} = {(T^{*})}^{0.04}, \frac{E_{2}^{t}}{E_{2}} = {(T^{*})}^{0.04}, \frac{G_{12}^{t}}{G_{12}} = {(T^{*})}^{0 .5}, T^{*} = (T_{g} - T) / (T_{g} - T_{0})

其中，E1、E2和G12均为基本的复合材料模量参数，而带有角标t的相应参数则为相应温度影响下的材料参数的修正值；Tg为该材料玻璃态转变温度，T为当前温度，而T₀指的是室温，并且T＝T₀+ΔT；

\frac{X_{t}^{t}}{X_{t}} = (V_{f}^{t} / V_{f}) {(T^{*})}^{0.04},

\frac{X_{c}^{t}}{X_{c}} = \frac{Y_{t}^{t}}{Y_{t}} = \frac{Y_{c}^{t}}{Y_{c}} = (V_{f}^{t} / V_{f}) {(T^{*})}^{0.04} {(T^{*})}^{0.5},

\frac{S^{t}}{S} = {(T^{*})}^{0.2}

3.如权利要求2所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，S3-2中，近似取值为1。

4.如权利要求2所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S6的实现过程包括如下步骤：

S6-2，更新材料刚度矩阵；

S6-3，更新损伤材料的应力；

S6-4，执行所述S8。

5.如权利要求4所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S6-2中材料刚度矩阵与损伤后材料刚度矩阵相同。

6.如权利要求5所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S6-2中的所述损伤后材料刚度矩阵由退化后的材料弹性常数计算而得。