CN106202598A - 一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料结构损伤容限设计领域，具体涉及一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法，是用来确定复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的一种分析方法。本发明包括3个步骤，第一步根据复合材料的失效特点选择Hanshin失效准则作为层合板低速冲击的损伤失效准则；第二步采用大型动态有限元程序DYTRAN，引入Hanshin失效准则，计算层合板低速冲击下的损伤面积；第三步根据第二步确定的损伤面积，对低速冲击后的损伤区域进行刚度衰减，采用整体-局部模型分析方法计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度。本发明提出一种全新的分析方法，有效预测复合材料典型构件冲击损伤后的剩余强度，为飞机复合材料结构的设计、分析及验证提供了依据。

Description

一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法

技术领域

本发明属于复合材料结构损伤容限设计领域，是确定复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法。

背景技术

复合材料对许多类型的外来物低速冲击损伤十分敏感，低速冲击将大大削弱复合材料层合板结构的承压能力。目前对含有目视勉强可见冲击损伤的复合材料损伤容限分析，国内一般采用设定许用应变的办法，根据设定的许用应变，计算层合板的冲击后压缩剩余强度。在该分析方法未研究成功之前，还未有合适的分析方法可全面考虑复合材料结构铺层和厚度的变化及载荷的组合等因素情况对低速冲击后压缩剩余强度的影响。

发明内容

本发明的目的是：

提出一种全新的分析方法，有效预测复合材料典型构件冲击损伤后的剩余强度，为飞机复合材料结构的设计、分析及验证提供了依据。

本发明的技术方案是：

一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度分析方法，有效预测冲击损伤对复合材料层合板剩余强度的影响。

步骤1确定层合板低速冲击的损伤失效准则

采用Hanshin失效准则作为层合板低速冲击的损伤失效准则，Hanshin失效准则定义5个失效系数：纤维拉伸失效系数D_ET、纤维压缩失效系数D_EC、基体拉伸失效系数D_EM、基体压缩失效系数D_ED、剪切失效系数为D_ES，能综合考虑纤维和基体的拉伸/压缩失效，并且还单独考虑了剪切的损伤。若失效系数大于1，则表明材料出现了损伤。

纤维拉伸失效： $D_{\mathrm{ET}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{11}}{X_T}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

纤维压缩失效：

基体拉伸失效： $D_{\mathrm{EM}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{Y_T}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

基体压缩失效： $D_{\mathrm{ED}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{2S_{23}}\right)}^2+[{\left(\frac{Y_C}{2S_{23}}\right)}^2-1]\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{Y_C}\right)+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

剪切失效：

步骤2计算层合板低速冲击下的损伤面积

采用大型动态有限元程序DYTRAN，根据步骤1确定选用的Hanshin失效准则，建立尺寸为150mm*100mm的层合板有限元模型及直径为12.7mm的冲击物有限元模型，层合板受到的冲击能量为4.45J/mm，冲击物的冲击速度为4.15m/s，冲击物与层合板之间设置为自适应主从接触，计算层合板在受到该冲击能量(4.45J/mm)时的损伤区域直达宽度及与受力方向垂直的有效损伤直径，进而计算损伤面积。

步骤3计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度

根据步骤2确定的损伤面积，对低速冲击后的损伤区域进行刚度衰减，损伤区的刚度衰减法用式(1)、式(2)和式(3)表示：

E_11-d＝Mr E₁₁ (1)

E_22-d＝Mr E₂₂ (2)

G_12-d＝Mr G₁₂ (3)

式中：

E₁₁、E₂₂和G₁₂——分别为无损伤层合板的纵向模量、横向模量及剪切模量；

E_11-d、E_22-d和G_12-d——分别为层合板损伤衰减后的纵向模量、横向模量及剪切模量；

Mr——模量保持率，取Mr的值为0.15。

首先，建立含损伤区域的层合板的整体有限元模型，层合板的完好区域采用无损伤层合板的纵向模量E₁₁、横向模量E₂₂及剪切模量G₁₂，层合板的损伤区域采用衰减后的纵向模量E_11-d、横向模量E_22-d及剪切模量G_12-d，对含损伤区域的层合板整体模型进行总体应力分析。

其次，对损伤区域进行局部网格细化，建立局部有限元模型，以总体应力分析得到的位移矢量结果作为局部有限元模型的边界条件，进行冲击后压缩分析计算。根据计算结果获得低速冲击后层合板的剩余压缩强度。

根据上述步骤1、步骤2和步骤3的方法对完成复合材料冲击损伤后的剩余强度进行计算。

本发明的优点是：提出一种全新的分析方法，有效预测复合材料典型构件冲击损伤后的剩余强度，为飞机复合材料结构的设计、分析及验证提供了依据。

附图说明

图1为层合板冲击有限元计算模型

图2为层合板冲击后损伤区域

图3为有效损伤直径为21.5mm的层合板计算模型

图4为局部网格及局部应力情况

图5为飞机舵面目视勉强可见损伤冲击部位

其中：1为局部网格，2为局部应力情况。

具体实施方式

飞机方向舵复合材料层合板冲击损伤后剩余强度分析。

1飞机方向舵复合材料层合板信息

典型铺层：(±45)/0₂/(0,90)/0/(±45)/0/(0,90)/0₂/(±45)

厚度：2.427mm

2确定冲击能量及冲头直径

冲击物选用直径为12.7mm的钢球，冲击物的质量为5.5kg，冲击能量为4.45J/mm。

3建立冲击损伤计算模型

如图1所示，层合板尺寸150mm*100mm，采用4节点壳单元进行模拟，冲击物采用刚体元进行模拟，为提高仿真精度，在冲击中心区域进行网格细化。层合板边界为四边简支，在冲击球和层合板之间采用自适应主从接触。为全面表征复合材料失效模式(复合材料失效包括：纤维/基体拉伸失效、纤维/基体压缩失效及剪切失效)，引入Hanshin失效准则。

4计算层合板低速冲击下的损伤面积

如图2所示，通过对(3)所建立的有限元进行仿真计算，获得层合板在4.45J/mm冲击能量下，损伤区域直达宽度约为26mm，与受力方向垂直的有效损伤直径约为21.5mm，根据计算获得损伤面积363mm²。

5计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度

对低速冲击损伤的区域进行刚度衰减，模量保持率为15％。

如图3所示，首先建立损伤直径为21.5mm的层合板的有限元模型，层合板的完好区域采用无损伤层合板的纵向模量E₁₁、横向模量E₂₂及剪切模量G₁₂，层合板的损伤区域采用衰减后的纵向模量0.15E₁₁、横向模量0.15E₂₂及剪切模量0.15G₁₂，对含损伤区域的层合板整体模型进行总体应力分析。

如图4所示，对损伤区域(直径为21.5mm区域)进行局部网格细化，建立局部有限元模型，以总体应力分析得到的位移矢量结果作为局部有限元模型的边界条件，进行冲击后压缩分析计算。分析结果：层合板冲击后剩余强度将有明显下降，最大下降到原强度的42％。

如图5所示，本发明方法已经用于确定飞机复合材料舵面结构冲击后的剩余强度，为复合材料结构分析和取证提供依据。

Claims (1)

1.一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法；其特征包括3个步骤：

步骤1确定层合板低速冲击的损伤失效准则

根据复合材料的失效特点，综合考虑纤维和基体的拉伸/压缩失效及剪切失效，选择Hanshin失效准则作为层合板低速冲击的损伤失效准则，具体过程如下：

采用Hanshin失效准则作为层合板低速冲击的损伤失效准则，Hanshin失效准则定义5个失效系数：纤维拉伸失效系数D_ET、纤维压缩失效系数D_EC、基体拉伸失效系数D_EM、基体压缩失效系数D_ED、剪切失效系数为D_ES，能综合考虑纤维和基体的拉伸/压缩失效，并且还单独考虑了剪切的损伤；若失效系数大于1，则表明材料出现了损伤；

纤维拉伸失效： $D_{\mathrm{ET}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{11}}{X_T}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

纤维压缩失效： $D_{\mathrm{EC}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{11}}{X_C}\right)}^2$

基体拉伸失效： $D_{\mathrm{EM}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{Y_T}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

基体压缩失效： $D_{\mathrm{ED}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{2S_{23}}\right)}^2+[{\left(\frac{Y_C}{2S_{23}}\right)}^2-1]\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{Y_C}\right)+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

剪切失效： $D_{\mathrm{ES}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

步骤2计算层合板低速冲击下的损伤面积

采用大型动态有限元程序DYTRAN，根据步骤1确定选用的Hanshin失效准则，建立尺寸为150mm*100mm的层合板有限元模型及直径为12.7mm的冲击物有限元模型，层合板受到的冲击能量为4.45J/mm，冲击物的冲击速度为4.15m/s，冲击物与层合板之间设置为自适应主从接触，计算层合板在受到该冲击能量(4.45J/mm)时的损伤区域直达宽度及与受力方向垂直的有效损伤直径，进而计算损伤面积；

步骤3计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度

对低速冲击损伤的区域进行刚度衰减，模量保持率为15％，根据步骤2确定的损伤面积，对低速冲击后的损伤区域进行刚度衰减，采用整体-局部模型分析方法计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度，具体过程如下：

根据步骤2确定的损伤面积，对低速冲击后的损伤区域进行刚度衰减，损伤区的刚度衰减法用式(1)、式(2)和式(3)表示：

E_11-d＝Mr E₁₁ (1)

E_22-d＝Mr E₂₂ (2)

G_12-d＝Mr G₁₂ (3)

式中：

E₁₁、E₂₂和G₁₂——分别为无损伤层合板的纵向模量、横向模量及剪切模量；

E_11-d、E_22-d和G_12-d——分别为层合板损伤衰减后的纵向模量、横向模量及剪切模量；

Mr——模量保持率，取Mr的值为0.15；

首先，建立含损伤区域的层合板的整体有限元模型，层合板的完好区域采用无损伤层合板的纵向模量E₁₁、横向模量E₂₂及剪切模量G₁₂，层合板的损伤区域采用衰减后的纵向模量E_11-d、横向模量E_22-d及剪切模量G_12-d，对含损伤区域的层合板整体模型进行总体应力分析；

其次，对损伤区域进行局部网格细化，建立局部有限元模型，以总体应力分析得到的位移矢量结果作为局部有限元模型的边界条件，进行冲击后压缩分析计算；根据计算结果获得低速冲击后层合板的剩余压缩强度；

根据上述步骤1、步骤2和步骤3的方法对完成复合材料冲击损伤后的剩余强度进行计算。