CN107092721B - 一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法 - Google Patents

一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，包括6个步骤，分别为：一、通过低速冲击试验结果，得到冲击能量与损伤特征参数的曲线关系；二、采用冲击损伤理论，得到对应冲击能量下最大接触力和最大凹坑深度；三、建立低速冲击渐进损伤有限元模型；四、修正低速冲击渐进损伤有限元模型；五、建立含冲击损伤的剩余强度有限元模型；六、求解含冲击损伤的剩余强度有限元模型，得到剩余强度值。本发明的评估方法将有限元仿真应用于冲击损伤模型，并结合冲击试验结果和冲击损伤理论，实现对损伤状态的精确仿真、实现含初始冲击损伤有限元模型的精确建模以及实现评估过程的连续性，具有较大的实用价值。

Description

一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术，特别是一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法。
背景技术
文献[林智育,许希武.复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度[J].复合材料学报,2008,25(1):140-146.]中总结了当前对含初始损伤的复合材料结构的剩余强度求解比较通用的几种做法。这些做法包括：
(1)软化夹杂法，将复合材料结构上的冲击损伤等效为规则形状的软化夹杂，然后采用基于各种破坏准则的点应力或平均应力判据确定板的失效强度。
(2)子层屈曲法，将冲击损伤看作大小不同的多个规则形状的分层，认为压缩破坏过程是各个子层不断发生屈曲失效的过程，当所有子层都屈曲时，层板发生破坏。
(3)开口等效法，用一个圆孔或椭圆孔取代冲击损伤，之后用孔边断裂韧性判据来判断板的破坏。
(4)损伤累积法，利用动态有限元计算层板的冲击损伤的刚度降，作为板的初始损伤，用损伤累积法模拟板的压缩破坏过程，并计算剩余压缩强度。
然而，上述方法均存在着如下不足：
1.均仅适用于求解等厚度的均匀层板问题，对含冲击损伤加筋壁板、变厚度板等复杂结构剩余强度问题的求解存在局限性。
2.上述方法涉及到的有限元模型并不能很好地真实反映材料损伤情况。
以往专利中[名称：一种含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的测算方法.申请号：201110442694.0]把无损检测和有限元仿真进行结合，把无损检测得到的损伤位置信息作为有限元模型的输入，并对损伤单元进行简单的软化。
这种做法的缺点在于：
1.复合材料结构的无损检测涉及检出概率问题，有些较小能量的冲击产生的损伤并不能被检出。这样在测算剩余强度时，较小尺寸的损伤位置信息无法在有限元模型中体现，影响最终的剩余强度测算精度。
2.这种剩余强度的测算方法只是把冲击损伤进行简单地软化处理。实际上的冲击损伤和进行软化处理的损伤是有较大差别的。这种近似等效处理方法导致该有限元模型输入的材料参数并不能真实反映受冲击后的材料性质。因此，对剩余强度测算结果的影响是：一方面这种有限元仿真方法不包括冲击过程，整个过程不连续；另一方面不能真实体现结构的冲击损伤状态，影响剩余强度计算准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，该含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法将有限元仿真应用于冲击损伤模型，并结合外场损伤检查信息，实现对损伤状态的精确仿真、实现含初始冲击损伤有限元模型的精确建模以及实现评估过程的连续性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，包括如下步骤。
步骤1，低速冲击试验：对于多个相同的试验件，进行不同大冲击能量下的冲击试验，并使用无损检测方法对大冲击能量所产生的冲击损伤进行检测，记录损伤特征参数一；然后，根据低速冲击试验结果，得出冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系；其中，损伤特征参数一包括凹坑直径、凹坑深度和分层损伤面积；大冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸大于0.5mm。
步骤2，计算出最大接触力和最大凹坑深度：采用冲击损伤理论，并基于MATLAB软件，计算出在不同小冲击能量下，冲击过程中的最大接触力以及冲击后表面的最大凹坑深度，得出冲击能量和与损伤特征参数二之间的曲线关系；损伤特征参数二包括最大接触力和最大凹坑深度；小冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸在0.3mm～0.5mm。
步骤3，建立低速冲击渐进损伤有限元模型：建立复合材料结构的渐进损伤有限元模型，使该渐进损伤有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型及边界条件；然后，进行动态有限元分析，对冲击过程进行仿真求解；求解结束后，得到冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系。
步骤4，修正低速冲击渐进损伤有限元模型：把步骤1和步骤2中试验得到的冲击能量和损伤特征参数之间的曲线关系与步骤3中得到的仿真曲线关系进行对比，并以此来修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型。
步骤5，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型：对步骤4修正后的低速冲击渐进损伤有限元模型，进行仿真求解，求解后材料属性参数发生变化，提取出变化后的材料属性参数；并以变化后的材料属性参数作为输入，重新设置各单元的损伤状态，并作为计算剩余强度有限元模型的初始损伤状态，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，该含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型。
步骤6，计算剩余强度：对步骤5建立的含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，进行计算求解，得到剩余强度值，并建立损伤特征参数与剩余强度之间的曲线关系。
所述步骤1中低速冲击试验时，使用的无损检测方法为目视检测或超声C扫描方法。
所述步骤3和步骤5中，低速冲击渐进损伤有限元模型和含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型的建立和求解均在有限元软件ABAQUS平台上完成。
所述步骤2中的冲击损伤理论包括能量平衡方程、线性小变形理论、Hertz接触定律和准静态冲击理论。
所述步骤3在建立低速冲击渐进损伤有限元模型后，对冲击过程进行仿真求解的理论依据包括用户自定义的材料失效准则、材料刚度退化模型和材料刚度矩阵。
所述步骤4中，在修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型时，需要修正的参数包括材料属性参数、材料失效准则和材料刚度退化模型。
本发明采用上述方法后，本发明将低速冲击试验和损伤理论分析引入有限元仿真中，即用最初的冲击试验结果验证较高能量区间内的有限元仿真结果，用冲击损伤理论分析结果验证低能量区间内的有限元仿真结果，进而完成对冲击渐进损伤有限元模型的修正，从仿真伊始就保证了冲击渐进损伤有限元模型的精确性，也保证了后来的剩余强度计算结果的可信度。另外，把受冲击后的冲击渐进损伤有限元模型中的材料属性参数赋予含初始冲击损伤有限元模型，即把冲击损伤渐近损伤有限元模型输出的材料属性参数作为含初始冲击损伤有限元模型的输入，使含初始冲击损伤有限元模型能真实体现冲击损伤的状态，提高了仿真结果和剩余强度评估的精度，保证了评估过程的连续性。
附图说明
图1显示了本发明一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法的流程图。
图2显示了基于MATLAB的冲击损伤理论计算方法示意图。
图3显示了低速冲击渐进损伤有限元模型中冲击过程仿真求解的数值算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，包括如下6个步骤。
步骤1，低速冲击试验。
对于多个相同的试验件，进行不同大冲击能量下的冲击试验，并使用无损检测方法对大冲击能量所产生的冲击损伤进行检测，记录损伤特征参数一；然后，根据低速冲击试验结果，得出冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系。
其中，上述损伤特征参数一包括凹坑直径、凹坑深度和分层损伤面积等；上述大冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸大于0.5mm。
低速冲击试验完成后，可根据需要进行外场检测信息步骤。外场检测信息是通过收集相关复合材料结构损伤的外场检测信息，从而对低速冲击试验结果进行验证。也即对步骤1得出的冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系进行修正，防止低速冲击试验过程中的人为操作失误及误差等。
步骤2，计算出最大接触力和最大凹坑深度：采用冲击损伤理论，并基于MATLAB软件，计算出在不同小冲击能量下，冲击过程中的最大接触力以及冲击后表面的最大凹坑深度，得出冲击能量和与损伤特征参数二之间的曲线关系。
上述损伤特征参数二包括最大接触力和最大凹坑深度等。
上述小冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸在0.3mm～0.5mm，也即目视勉强可见冲击损伤(BVID)。
如图2所示，冲击损伤理论包括能量平衡方程、线性小变形理论、Hertz接触定律和准静态冲击理论公式。
由上述冲击损伤理论中各公式，可以得到冲击能量E和最大接触力Fmax之间的关系如下：
冲击能量E和最大凹坑深度αmax之间的关系如下：
其中，K表示结构抗弯刚度，需根据具体的材料结构求出；
n表示Hertz接触刚度，可以由下列方程计算：
其中，r表示冲头直径；
E2表示面内垂直于纤维方向的弹性模量，由具体的材料决定。
步骤3，建立低速冲击渐进损伤有限元模型：建立复合材料结构的渐进损伤有限元模型，使该渐进损伤有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型及边界条件；然后，进行动态有限元分析，对冲击过程进行仿真求解；求解结束后，得到冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系。
低速冲击渐进损伤有限元模型的建立和求解均在有限元软件ABAQUS平台上完成。
另外，对冲击过程进行仿真求解的理论依据包括用户自定义的材料失效准则、材料刚度退化模型和材料刚度矩阵。
上述冲击过程的仿真求解过程如图3所示，具体包括如下步骤：
步骤3，建立低速冲击渐进损伤有限元模型。
建立复合材料结构的渐进损伤有限元模型，使该渐进损伤有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型及边界条件；然后，进行动态有限元分析，对冲击过程进行仿真求解；求解结束后，可以得到冲击能量与损伤特征参数、冲击能量与最大接触力、冲击能量与最大凹坑深度之间的仿真曲线关系。
低速冲击渐进损伤有限元模型的建立和求解均在有限元软件ABAQUS平台上完成。
另外，对冲击过程进行仿真求解的理论依据包括用户自定义的材料失效准则、材料刚度退化模型和材料刚度矩阵。
上述冲击过程的仿真求解过程如图3所示，具体包括如下步骤：
步骤31，新增量步：仿真过程中，外载荷是逐级增加的；当冲击过程没有结束时，则进入下一增量步(返回到这一步)，重复整个流程，对结构进行新一轮的应力/应变分析。
步骤32，新迭代步：在每一个载荷增加的步长中，需对复合材料结构建立的有限元平衡方程求解得到位移解。
步骤33，计算应力/应变：根据上一步得到的位移解计算材料各点的应力/应变。
步骤34，材料失效准则：选取适合该模型的材料失效准则。
步骤35，判断是否失效：将步骤33得到的各点应力/应变代入步骤34选取的材料失效准则中，检查模型中所有单元，判断模型单元是否失效。
步骤36，材料刚度退化：如果模型单元发生失效应根据材料刚度退化模型进行相应的材料刚度折减，计算材料刚度矩阵；此时已经求解的非线性方程组的解不再满足要求，在保持当前载荷不变的情况下，根据刚度折减后的材料属性重新建立有限元平衡方程，重复步骤32～步骤35，进行新一轮的应力/应变分析，更新应力/应变；直至结构不再发生新的损伤；如果单元没有再产生失效，则进入下一个增量步。
步骤37，判断冲击过程是否结束：如果冲击过程没有结束，则进入到下一个增量步，重复上述步骤，对结构进行新一轮应力/应变分析；直至冲击过程结束。
步骤4，修正低速冲击渐进损伤有限元模型：把步骤1和步骤2中试验得到的冲击能量和损伤特征参数之间的曲线关系与步骤3中得到的仿真曲线关系进行对比，并以此来修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型。
在修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型时，需要修正的参数包括材料属性参数、材料失效准则和材料刚度退化模型等。
低速冲击渐进损伤有限元模型的修正方法如下：
步骤41，在大冲击能量区间内，把步骤1中冲击试验得到的冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系和步骤3中得到的冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系进行对比。
步骤42，在小冲击能量区间内，把步骤2中冲击损伤理论计算得到的冲击能量与损伤特征参数二之间的关系曲线和步骤3中得到的冲击能量与损伤特征参数(包括最大接触力、冲击能量与最大凹坑深度)之间的仿真曲线关系进行对比。
步骤43，若步骤41和步骤42的对比结果均一致，则说明低速冲击渐进损伤有限元模型准确。若对比结果不一致，则说明低速冲击损伤有限元模型不准确，此时需要修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型，直至对比结果一致。
步骤5，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型：对步骤4修正后的低速冲击渐进损伤有限元模型，进行仿真求解，求解后材料属性参数发生变化，提取出变化后的材料属性参数；并以变化后的材料属性参数作为输入，重新设置各单元的损伤状态，并作为计算剩余强度有限元模型的初始损伤状态，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，该含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型。
含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型的建立和求解均在有限元软件ABAQUS平台上完成。
步骤6，计算剩余强度。
对步骤5建立的含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型施加拉伸或压缩载荷，进行计算求解，得到剩余强度值，并建立损伤特征参数与剩余强度之间的曲线关系。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，低速冲击试验：对于多个相同的试验件，进行不同大冲击能量下的冲击试验，并使用无损检测方法对大冲击能量所产生的冲击损伤进行检测，记录损伤特征参数一；然后，根据低速冲击试验结果，得出冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系；其中，损伤特征参数一包括凹坑直径、凹坑深度和分层损伤面积；大冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸大于0.5mm；
步骤2，计算出最大接触力和最大凹坑深度：采用冲击损伤理论，并基于MATLAB软件，计算出在不同小冲击能量下，冲击过程中的最大接触力以及冲击后表面的最大凹坑深度，得出冲击能量和与损伤特征参数二之间的曲线关系；损伤特征参数二包括最大接触力和最大凹坑深度；小冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸在0.3mm~0.5mm；
步骤3，建立低速冲击渐进损伤有限元模型：建立复合材料结构的渐进损伤有限元模型，使该渐进损伤有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型及边界条件；然后，进行动态有限元分析，对冲击过程进行仿真求解；求解结束后，得到冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系；
步骤31，新增量步：仿真过程中，外载荷是逐级增加的；当冲击过程没有结束时，则进入下一增量步，重复整个流程，对结构进行新一轮的应力/应变分析；
步骤32，新迭代步：在每一个载荷增加的步长中，需对复合材料结构建立的有限元平衡方程求解得到位移解；
步骤33，计算应力/应变：根据步骤32得到的位移解计算材料各点的应力/应变；
步骤34，材料失效准则：选取材料失效准则；
步骤35，判断是否失效：将步骤33得到的各点应力/应变代入步骤34选取的材料失效准则中，检查模型中所有单元，判断模型单元是否失效；
步骤36，材料刚度退化：如果模型单元发生失效应根据材料刚度退化模型进行相应的材料刚度折减，计算材料刚度矩阵；此时已经求解的非线性方程组的解不再满足要求，在保持当前载荷不变的情况下，根据刚度折减后的材料属性重新建立有限元平衡方程，重复步骤32~步骤35，进行新一轮的应力/应变分析，更新应力/应变；直至结构不再发生新的损伤；如果单元没有再产生失效，则进入下一个增量步；
步骤37，判断冲击过程是否结束：如果冲击过程没有结束，则进入到下一个增量步，重复上述步骤31至36，对结构进行新一轮应力/应变分析；直至冲击过程结束；
步骤4，修正低速冲击渐进损伤有限元模型：把步骤1和步骤2中试验得到的冲击能量和损伤特征参数之间的曲线关系与步骤3中得到的仿真曲线关系进行对比，并以此来修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型；
步骤41，在大冲击能量区间内，把步骤1中冲击试验得到的冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系和步骤3中得到的冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系进行对比；
步骤42，在小冲击能量区间内，把步骤2中冲击损伤理论计算得到的冲击能量与损伤特征参数二之间的关系曲线和步骤3中得到的冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系进行对比；
步骤43，若步骤41和步骤42的对比结果均一致，则说明低速冲击渐进损伤有限元模型准确；若对比结果不一致，则说明低速冲击损伤有限元模型不准确，此时需要修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型，直至对比结果一致；
步骤5，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型：对步骤4修正后的低速冲击渐进损伤有限元模型，进行仿真求解，求解后材料属性参数发生变化，提取出变化后的材料属性参数；并以变化后的材料属性参数作为输入，重新设置各单元的损伤状态，并作为计算剩余强度有限元模型的初始损伤状态，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，该含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型；
步骤6，计算剩余强度：对步骤5建立的含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，进行计算求解，得到剩余强度值，并建立损伤特征参数与剩余强度之间的曲线关系。
2.根据权利要求1所述的含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：所述步骤1中低速冲击试验时，使用的无损检测方法为目视检测或超声C扫描方法。
3.根据权利要求1所述的含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：所述步骤3和步骤5中，低速冲击渐进损伤有限元模型和含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型的建立和求解均在有限元软件ABAQUS平台上完成。
4.根据权利要求1所述的含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：所述步骤2中的冲击损伤理论包括能量平衡方程、线性小变形理论、Hertz接触定律和准静态冲击理论。
5.根据权利要求1所述的含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：所述步骤3在建立低速冲击渐进损伤有限元模型后，对冲击过程进行仿真求解的理论依据包括用户自定义的材料失效准则、材料刚度退化模型和材料刚度矩阵。
6.根据权利要求5所述的含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：所述步骤4中，在修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型时，需要修正的参数包括材料属性参数、材料失效准则和材料刚度退化模型。
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