CN108427826A - 缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，包括如下步骤：(1)缝合复合材料在冲击载荷下的瞬态应力分析；(2)确定缝合复合材料的冲击损伤判据；(3)确定缝合复合材料冲击损伤的力学性能退化方法；(4)缝合复合材料的静力学分析；(5)确定缝合复合材料的剩余强度损伤判据；(6)确定缝合复合材料的材料性能退化方法；(7)确定缝合复合材料的结构失效判据。本发明提供了一种全程性的冲击损伤及冲击后剩余强度的分析方法，不但考虑了冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，而且不需要通过观察冲击损伤来提升对于剩余强度预测的准确性，所以本发明的方法连贯性高，拓展性好，预测精度高，具有可观的工程应用前景。

Description

缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法

技术领域：

本发明涉及一种缝合复合材料损伤性能分析方法，特别涉及一种缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，属于复合材料性能分析技术领域。

背景技术：

复合材料结构在使用过程中容易遭受诸如工具掉落、设备撞击等低速冲击事故而造成不同程度的内部损伤，影响其服役安全性，国内外研究人员以及工程设计和使用单位均非常重视其受低速冲击后的损伤程度和冲击后的剩余强度，以便准确评估其后续服役情况。

缝合复合材料由于其优异的层间力学性能使其在工程中得到了广泛的应用，其受低速冲击的损伤和冲击后剩余强度的预测分析也日益受到研究人员的关注。目前，国内外研究人员在预测缝合复合材料低速冲击后的剩余强度时，并未将冲击后的实际损伤类型及损伤程度等实际损伤参量作为先决条件导入强度预测模型中，而是将冲击后的损伤进行简单等效后再引入强度预测模型中。目前应用较多的冲击后损伤等效方法主要有三种：(1)开口等效法，该方法将冲击损伤等效为椭圆孔板；(2)子层屈曲法，该方法将冲击损伤看成多个子层的屈曲，子层屈曲时结构破坏；(3)软化夹杂法，该方法将冲击损伤等效成为软化夹杂，引入特征曲线和强度判据，再计算强度。以上三种损伤等效方法从本质上讲都是通过将冲击损伤面积进行简化与等效，虽然三种方法的简化假设原理和繁易程度均不一样，但它们都没有考虑到冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，与工程实际吻合程度较低，导致冲击后剩余强度的预测精度不高。

申请号为“CN201710173066.4”，名称为“一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法”的实质审查发明专利，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：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；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；建立低速冲击渐进损伤有限元模型；修正低速冲击渐进损伤有限元模型；建立含冲击损伤的剩余强度有限元模型；求解含冲击损伤的剩余强度有限元模型，得到剩余强度值。该方法用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去验证低能量区间内的有限元仿真结果，从而提高了剩余强度计算结果的可信度。然而，该方法没有考虑到冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，仅仅采用有限元方法修正理论曲线，人为地将冲击损伤分析和冲击后剩余强度分析分割成两个相互独立的分析过程，导致冲击后剩余强度的预测精度提高不多。工程应用价值受到一定限制。

申请号为“CN201510230293.7”，名称为“一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法”的实质审查发明专利，公开了一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法。包括3个步骤，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；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；根据上一步确定的损伤面积，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，该方法可以提高预测复合材料典型构件冲击损伤后的剩余强度。然而，该方法也没有考虑到冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，仅仅根据损伤面积进行预测，即对冲击损伤本身进行了一定简化处理，所以预测结果的精度提高不多，其工程应用前景不高。

发明内容：

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的技术问题和缺陷，为实现更加成熟的缝合复合材料层合板全程性冲击及冲击后剩余强度冲击问题分析，本发明提供了一种缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法。

本发明所采用的技术方案有：一种缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，包括如下步骤：

S1：缝合复合材料在冲击载荷下的瞬态应力分析：

建立冲头跌落到缝合复合材料层合板上的模型，并且以所述层合板中面为XOY面，垂直于中面方向为Z轴，建立三维笛卡尔坐标系，基于所述坐标系，推导接触各时刻的冲头冲击力与所述层合板抵抗力之间的平衡方程及边界条件，对所述平衡方程和边界条件进行伽辽金方式的积分合并，得到含边界条件的瞬态力平衡方程，根据非线性格林应变张量的微分形式，推导所述层合板瞬态应力应变与其刚度矩阵之间的关系式，将所述关系式代入含边界条件的瞬态力平衡方程，得到冲击过程与时间之间的方程组，通过数值计算分析方法，最终得到冲击载荷下的瞬态应力的时域数值解；

S2：确定缝合复合材料的冲击损伤判据：

在低速冲击实验和冲击损伤理论分析的基础上，在应力计算的单元失效判据中，考虑纤维的压断与拉断，基体的开裂与挤压，以及分层与缝线断裂六种损伤模式，若损伤计算结果大于1，则表明材料出现了损伤；

S3：确定缝合复合材料冲击损伤的力学性能退化方法；

在所述层合板发生局部冲击失效后，该局部区域的承载能力将会降低，按照失效类型来更新该局部区域的材料刚度矩阵，设置相应的材料属性变化方式，在实际情况中冲击会出现不同损伤类型耦合现象，故数值计算中也允许不同损伤类型进行耦合，若在数值计算中出现多种损伤，则材料系数会相应进行多次退化；

S4：缝合复合材料的剩余强度应力分析；

基于逐渐累积损伤理论，在S1所述的坐标系下，对所述层合板一端施加约束，在数值计算中，对另一端第N步施加载荷，列出第N步的应力平衡方程以及边界条件，根据虚位移原理，合并所述第N步的平衡方程以及边界条件，得到含边界条件的剩余强度应力平衡式，根据所述层合板几何大变形理论，推导相邻载荷步之间的关系式，将所述关系式代入所述含边界条件的剩余强度应力平衡式中，最终得到外载与应力之间的关系；

S5：确定缝合复合材料的剩余强度损伤判据；

外载的不断增加导致初始损伤的逐渐扩展，所述层合板内部会出现纤维拉断、纤维压断、基体开裂、基体压断以及纤基剪切损伤，界面层中的单元分层损伤也会扩展，若损伤计算结果大于1，则表明材料出现了损伤；

S6：确定缝合复合材料剩余强度的材料性能退化方法；

按照单元失效类型来更新该单元的材料刚度矩阵，设置相应的材料属性变化方式，如果应力计算中同一个单元出现了不同的损伤，应该进行重复材料退化；

S7：确定缝合复合材料的结构失效判据；

随着缝合复合材料结构所受外载荷不断增加，当纤维断裂损伤沿垂直于载荷方向扩展到所述层合板边界时，认为所述层合板整体发生破坏，判定缝合复合材料的结构发生最终破坏。

进一步地，所述数值仿真计算包括如下步骤：

S1：在ANSYS/LS-Dyna或ABAQUS中输入几何模型参数和材料性能参数，建立缝合复合材料层合板及冲头有限元模型并对有限元模型施加约束和冲击载荷；

S2：定义求解方式并且开始进行初始的瞬态求解，得到瞬态响应，判断求解结果中是否存在单元失效，若没有单元失效，记录损伤并且退化，继续求解响应；若发生单元失效，则判断冲击加载时间是否结束，若冲击加载时间没有结束，则按步长增加时间，继续求解瞬态响应；若冲击加载时间结束，输出冲击结果，保留冲击后损伤状态；

S3：在此建立缝合复合材料层合板及冲头三维有限元模型，并且对模型施加约束和载荷，输入几何模型参数和材料性能参数；

S4：根据S2所述的冲击损伤状态设置缝合材料层合板的初始状态；

S5：进行应力分析，判断是否发生新的损伤，若没有新的损伤，则增加载荷，继续进行应力分析；若发生新的损伤，则记录损伤并且执行退化；

S6：判断缝合复合材料结构是否发生破坏，若没有发生破坏，则继续增加载荷，进行应力分析；若发生破坏，则结束整个过程的分析。

进一步地，所述六种损伤模式的表达式具体如下：

(1)纤维拉断：

(2)纤维压断：

(3)基体开裂：

(4)基体挤压：

(5)分层损伤：

(6)缝线断裂：

其中，σ_ij为体积单元在主方向上的应力分量，X_T，Y_T，X_C，Y_C分别是单向板的纵向和横向拉伸压缩强度值，S_f为考虑纤维失效的剪切强度，S_ij为单向板主方向的剪切强度，是缝线的拉应力，是缝线的轴向拉伸强度。

进一步地，所述冲击损伤相应的材料属性变化方式具体为：

(1)纤维拉断：所有材料参数的退化系数设为0.07；

(2)纤维压断：所有材料参数的退化系数设为0.14；

(3)基体开裂：横向拉伸模量E₂、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃的退化系数设为0.2；

(4)基体挤压：横向拉伸模量E₂、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃的退化系数设为0.4；

(5)分层损伤：法向拉伸模量E₃、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃、面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃的退化系数设为0.01；

(6)缝线断裂：缝线的刚度退化为100Pa。

进一步地，所述剩余强度的材料属性变化方式具体为：

(1)纤维拉断：所有材料参数的退化系数设为0.002；

(2)纤维压断：所有材料参数的退化系数设为0.002；

(3)基体开裂：横向拉伸模量E₂的退化系数设为0.008；

(4)基体挤压：横向拉伸模量E₂的退化系数设为0.008；

(5)分层损伤：法向拉伸模量E₃、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃、面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃的退化系数设为0；

(6)缝线断裂：缝线的刚度退化为100Pa；

其中，纵向拉伸模量E₁、横向拉伸模量E₂、法向拉伸模量E₃不得低于150Pa，剪切刚度退化后取退化值与10⁵中的较大值，面内泊松比ν₁₂、法向泊松比ν₁₃不小于10^-5。

本发明具有如下有益效果：

(1)由于本发明的分析方法没有人为地将冲击损伤分析和冲击后剩余强度分析分割成两个相互独立的分析过程，而是一种直接将复合材料结构受冲击后的实际损伤情况作为冲击后剩余强度预测分析先决条件的一种分析方法，因此本发明的方法连贯性高，拓展性好，不需要通过观察冲击损伤来提升对于剩余强度预测的准确性，更符合工程实际。

(2)由于本发明的分析方法考虑到冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，对冲击损伤本身未作简化处理，因此本发明的方法对缝合复合材料受冲击后的剩余强度相比现有预测方法更加精确。

(3)缝合复合材料由于具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳性能好等优点，使其在各个领域中得到了广泛的应用，尤其在航空航天领域，所以本发明所提出的全程分析方法具有非常重要的科学意义和工程实际价值。

附图说明：

图1是本发明的数值计算流程图。

图2是层合板及冲头的有限元模型。

图3是层合板受冲击后的层合板总损伤图。

图4是层合板剩余强度有限元模型。

图5是315MPa压强下的层合板损伤图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，包括如下步骤：

S1：缝合复合材料在冲击载荷下的瞬态应力分析；

建立冲头跌落到缝合复合材料层合板上的模型，并且以所述层合板中面为XOY面，垂直于中面方向为Z轴，建立三维笛卡尔坐标系。基于所述坐标系，推导接触各时刻的冲头冲击力与所述层合板抵抗力之间的平衡方程及边界条件。对所述平衡方程和边界条件进行伽辽金方式的积分合并，得到含边界条件的瞬态力平衡方程。根据非线性格林应变张量的微分形式，推导所述层合板瞬态应力应变与其刚度矩阵之间的关系式。将所述关系式代入所述含边界条件的瞬态力平衡方程，得到冲击过程与时间之间的方程组，通过数值计算分析方法，最终得到冲击载荷下的瞬态应力的时域数值解。

S2：确定缝合复合材料的冲击损伤判据；

在低速冲击实验和冲击损伤理论分析的基础上，经历低速冲击之后的缝合复合材料层合板，90％以上的缝线不会发生断裂。因此在应力计算的单元失效判据中，考虑纤维的压断与拉断，基体的开裂与挤压，以及分层与缝线断裂六种损伤模式，若损伤计算结果大于1，则表明材料出现了损伤。

S3：确定缝合复合材料冲击损伤的力学性能退化方法；

在所述层合板发生局部冲击失效后，该局部区域的承载能力将会降低。具体方法为按照失效类型来更新该局部区域的材料刚度矩阵，设置相应的材料属性变化方式。由于在实际情况中冲击会出现不同损伤类型耦合现象，故数值计算中也允许不同损伤类型进行耦合，若在数值计算中出现多种损伤，则材料系数会相应进行多次退化。

S4：缝合复合材料的剩余强度应力分析；

基于逐渐累积损伤理论，在S1所述的坐标系下，对所述层合板一端施加约束，在数值计算中，对另一端第N步施加载荷，列出第N步的应力平衡方程以及边界条件。根据虚位移原理，合并所述第N步的平衡方程以及边界条件，得到含边界条件的剩余强度应力平衡式。根据所述层合板几何大变形理论，推导相邻载荷步之间的关系式，将所述关系式代入所述含边界条件的剩余强度应力平衡式中，最终得到外载与应力之间的关系。

S5：确定缝合复合材料的剩余强度损伤判据；

外载的不断增加导致初始损伤的逐渐扩展。所述层合板内部会出现纤维拉断、纤维压断、基体开裂、基体压断以及纤基剪切损伤，界面层中的单元分层损伤也会扩展。若损伤计算结果大于1，则表明材料出现了损伤。

S6：确定缝合复合材料剩余强度的材料性能退化方法；

在剩余强度数值计算分析中，部分单元发生失效后，失效单元的力学性能将会发生变化，对应实际情况中的复合材料损伤发生后承载能力的下降。部分退化方式作为逐渐累积损伤方法中应用较为成熟的方法，其具体按照单元失效类型来更新该单元的材料刚度矩阵，设置相应的材料属性变化方式。由于在实际过程中各种损伤是混合出现的，故数值计算中也允许不同损伤类型进行耦合，因此如果应力计算中同一个单元出现了不同的损伤，应该进行重复材料退化。

S7：确定缝合复合材料的结构失效判据；

随着缝合复合材料结构所受外载荷不断增加，当纤维断裂损伤沿垂直于载荷方向扩展到所述层合板边界时，认为所述层合板整体发生破坏，判定缝合复合材料的结构发生最终破坏。

通过以上7个步骤，对缝合复合材料的冲击损伤及其冲击后剩余强度进行全程性分析和评估。

进一步，所述数值计算包括如下步骤：

S1：在ANSYS/LS-Dyna或ABAQUS中输入几何模型参数和材料性能参数，建立缝合复合材料层合板及冲头有限元模型并对有限元模型施加约束和冲击载荷。

S2：定义求解方式并且开始进行初始的瞬态求解，得到瞬态响应，判断求解结果中是否存在单元失效，若没有单元失效，记录损伤并且退化，继续求解响应；若发生单元失效，则判断冲击加载时间是否结束，若冲击加载时间没有结束，则按步长增加时间，继续求解瞬态响应；若冲击加载时间结束，输出冲击结果，保留冲击后损伤状态。

S3：在此建立缝合复合材料层合板及冲头三维有限元模型，并且对模型施加约束和载荷，输入几何模型参数和材料性能参数。

S4：根据S2所述的冲击损伤状态设置缝合材料层合板的初始状态。

S5：进行应力分析，判断是否发生新的损伤，若没有新的损伤，则增加载荷，继续进行应力分析；若发生新的损伤，则记录损伤并且执行退化；

S6：判断缝合复合材料结构是否发生破坏，若没有发生破坏，则继续增加载荷，进行应力分析；若发生破坏，则结束整个过程的分析。

进一步，所述六种损伤模式的表达式具体如下：

(1)纤维拉断：

(2)纤维压断：

(3)基体开裂：

(4)基体挤压：

(5)分层损伤：

(6)缝线断裂：

其中，σ_ij为体积单元在主方向上的应力分量，X_T，Y_T，X_C，Y_C分别是单向板的纵向和横向拉伸压缩强度值，S_f为考虑纤维失效的剪切强度，S_ij为单向板主方向的剪切强度，是缝线的拉应力，是缝线的轴向拉伸强度。

进一步，所述冲击损伤相应的材料属性变化方式具体为：

(1)纤维拉断：所有材料参数的退化系数设为0.07；

(2)纤维压断：所有材料参数的退化系数设为0.14；

(3)基体开裂：横向拉伸模量E₂、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃的退化系数设为0.2；

(4)基体挤压：横向拉伸模量E₂、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃的退化系数设为0.4；

(5)分层损伤：法向拉伸模量E₃、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃、面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃的退化系数设为0.01；

(6)缝线断裂：缝线的刚度退化为100Pa。

进一步，所述剩余强度损伤判据的表达式具体为三维Hashin准则以及所述六种损伤模式的具体表达式的式(5)和式(6)。

进一步，所述剩余强度的材料属性变化方式具体为：

(1)纤维拉断：所有材料参数的退化系数设为0.002；

(2)纤维压断：所有材料参数的退化系数设为0.002；

(3)基体开裂：横向拉伸模量E₂的退化系数设为0.008；

(4)基体挤压：横向拉伸模量E₂的退化系数设为0.008；

(5)分层损伤：法向拉伸模量E₃、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃、面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃的退化系数设为0；

(6)缝线断裂：缝线的刚度退化为100Pa。

此外为了计算中避免刚度矩阵奇异，规定纵向拉伸模量E₁、横向拉伸模量E₂、法向拉伸模量E₃不得低于150Pa，剪切刚度退化后取退化值与10⁵中的较大值，而面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃则不能比10^-5更小。

下面通过具体实施例来说明本发明缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法。

实施例：G0827/QY9512缝合复合材料层合板冲击损伤及剩余强度全程分析

根据图1所示的流程图对G0827/QY9512缝合复合材料层合板冲击损伤及冲击后的剩余强度进行全程性分析，具体如下：

(1)冲击过程的几何模型参数、材料性能参数；

G0827/QY9512缝合复合材料层合板的缝合密度为5mm×5mm；缝线采用kevlar29(1500旦)；缝合方式为改良式锁扣缝合，缝合方向为0°方向，单层板每层厚度0.15mm。冲头是一个直径16mm，硬度大于60HRC的光滑球冲头，冲头质量5.5kg。

G0827/QY9512缝合复合材料层合板的力学性能：纵向拉伸模量E₁＝128GPa；横向拉伸模量E₂＝9.93GPa；法向拉伸模量E₃＝9.93GPa；面内剪切模量G₁₂＝5.53GPa；泊松比ν₁₂＝0.33；密度ρ₁＝1530kg/m³；缝线的力学性能：密度ρ₂＝1440kg/m³；纵向拉伸模量E₁＝60GPa；纵向拉伸强度X_T＝2.9GPa。

(2)有限元模型及载荷、边界条件；

图2为ANSYS建立的G0827/QY9512缝合复合材料及冲头的有限元模型，该模型中界面层厚度为实际层厚度的十分之一，为0.0167mm，复合材料层板和界面的单元类型为8节点164体积单元，层板单元一共81081个，界面层的单元性能与实际层板单元性能相同，但是界面层仅用于判断分层损伤，缝线的单元类型为2节点167杆单元。采用刚体球来模拟实验的冲头和配重，定义冲头与缝合层板之间的接触类型为自动的面对面接触，对层合板四周采取全自由度约束。并且对底面在空心区以外的节点进行竖直方向的约束，这样可以保证冲头与板件之间的接触方式为自动面对面接触。

(3)冲击损伤仿真结果分析；

如图3所示，当时间为1.1ms时，板件受到16.8J能量的冲击，其内部的损伤已经不再随着时间继续增大而扩展，损伤达到了最大值，损伤面积的主要组成部分为基体拉伸与分层损伤，上表面冲击中心区域有纤维压断，下表面有纤维拉断破坏。所有形式的损伤模式都存在，如冲击中心的背面数个单元，既有纤维损伤又有基体损伤。

(4)冲击后剩余强度有限元模型及载荷、边界条件；

将缝合密度5mm×5mm的G0827/QY9512冲击损伤结果导入剩余强度计算程序中作为分析的先决条件。缝合层板的有限元模型如图3所示。该模型中，缝线单元为2节点180单元6840个，界面层与体积单元为8节点185单元，共有81081个。

基于全程性分析方法，在强度模型中导入经过了初始冲击损伤折减后的缝合复合材料板，所述层合板已经含有五种损伤的信息，开始施加压缩载荷，加载方式为初始加载180MPa，而后每次增加5MPa，如有新的损伤出现则保持该应力开始进行20次损伤折减循环，如果没有则增加载荷，最后直到纤维损伤扩展至结构边界结束。

(5)冲击后剩余强度仿真结果分析

图3为32层缝合密度5mm×5mm的G0827/QY9512缝合复合材料在冲击后在315MPa压强下的损伤图，从图中可以看出缝合复合材料结构的失效模式为纤维压裂损伤和纤基剪切损伤扩展到了边界。

由于缝合复合材料在低速冲击过程中出现了少量的纤维损伤模式和大量的分层损伤模式，随着载荷的增加，其最终破坏模式为分层和纤维压裂在中心区域沿垂直于载荷方向扩展至板宽边界处，纤维拉裂扩展不明显。虽然分层面积是最大的，同时也是最先出现的损伤，但是因为多种损伤类型都对剩余强度有影响，而其中无论是从对于板件属性的影响程度轻重，或者是从施加静载荷时的扩展规律中可以看出，分层损伤并不能与剩余强度值一一对应。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：缝合复合材料在冲击载荷下的瞬态应力分析：

建立冲头跌落到缝合复合材料层合板上的模型，并且以所述层合板中面为XOY面，垂直于中面方向为Z轴，建立三维笛卡尔坐标系，基于所述坐标系，推导接触各时刻的冲头冲击力与所述层合板抵抗力之间的平衡方程及边界条件，对所述平衡方程和边界条件进行伽辽金方式的积分合并，得到含边界条件的瞬态力平衡方程，根据非线性格林应变张量的微分形式，推导所述层合板瞬态应力应变与其刚度矩阵之间的关系式，将所述关系式代入含边界条件的瞬态力平衡方程，得到冲击过程与时间之间的方程组，通过数值计算分析方法，最终得到冲击载荷下的瞬态应力的时域数值解；

S2：确定缝合复合材料的冲击损伤判据：

在低速冲击实验和冲击损伤理论分析的基础上，在应力计算的单元失效判据中，考虑纤维的压断与拉断，基体的开裂与挤压，以及分层与缝线断裂六种损伤模式，若损伤计算结果大于1，则表明材料出现了损伤；

S3：确定缝合复合材料冲击损伤的力学性能退化方法；

在所述层合板发生局部冲击失效后，该局部区域的承载能力将会降低，按照失效类型来更新该局部区域的材料刚度矩阵，设置相应的材料属性变化方式，在实际情况中冲击会出现不同损伤类型耦合现象，故数值计算中也允许不同损伤类型进行耦合，若在数值计算中出现多种损伤，则材料系数会相应进行多次退化；

S4：缝合复合材料的剩余强度应力分析；

基于逐渐累积损伤理论，在S1所述的坐标系下，对所述层合板一端施加约束，在数值计算中，对另一端第N步施加载荷，列出第N步的应力平衡方程以及边界条件，根据虚位移原理，合并所述第N步的平衡方程以及边界条件，得到含边界条件的剩余强度应力平衡式，根据所述层合板几何大变形理论，推导相邻载荷步之间的关系式，将所述关系式代入所述含边界条件的剩余强度应力平衡式中，最终得到外载与应力之间的关系；

S5：确定缝合复合材料的剩余强度损伤判据；

外载的不断增加导致初始损伤的逐渐扩展，所述层合板内部会出现纤维拉断、纤维压断、基体开裂、基体压断以及纤基剪切损伤，界面层中的单元分层损伤也会扩展，若损伤计算结果大于1，则表明材料出现了损伤；

S6：确定缝合复合材料剩余强度的材料性能退化方法；

按照单元失效类型来更新该单元的材料刚度矩阵，设置相应的材料属性变化方式，如果应力计算中同一个单元出现了不同的损伤，应该进行重复材料退化；

S7：确定缝合复合材料的结构失效判据；

随着缝合复合材料结构所受外载荷不断增加，当纤维断裂损伤沿垂直于载荷方向扩展到所述层合板边界时，认为所述层合板整体发生破坏，判定缝合复合材料的结构发生最终破坏。

2.根据权利要求1所述的缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，其特征在于：所述数值仿真计算包括如下步骤：

S1：在ANSYS/LS-Dyna或ABAQUS中输入几何模型参数和材料性能参数，建立缝合复合材料层合板及冲头有限元模型并对有限元模型施加约束和冲击载荷；

S2：定义求解方式并且开始进行初始的瞬态求解，得到瞬态响应，判断求解结果中是否存在单元失效，若没有单元失效，记录损伤并且退化，继续求解响应；若发生单元失效，则判断冲击加载时间是否结束，若冲击加载时间没有结束，则按步长增加时间，继续求解瞬态响应；若冲击加载时间结束，输出冲击结果，保留冲击后损伤状态；

S3：在此建立缝合复合材料层合板及冲头三维有限元模型，并且对模型施加约束和载荷，输入几何模型参数和材料性能参数；

S4：根据S2所述的冲击损伤状态设置缝合材料层合板的初始状态；

S5：进行应力分析，判断是否发生新的损伤，若没有新的损伤，则增加载荷，继续进行应力分析；若发生新的损伤，则记录损伤并且执行退化；

S6：判断缝合复合材料结构是否发生破坏，若没有发生破坏，则继续增加载荷，进行应力分析；若发生破坏，则结束整个过程的分析。

3.根据权利要求1所述的缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，其特征在于：所述六种损伤模式的表达式具体如下：

(1)纤维拉断：

(2)纤维压断：

(3)基体开裂：

(4)基体挤压：

(5)分层损伤：

(6)缝线断裂：

其中，σ_ij为体积单元在主方向上的应力分量，X_T，Y_T，X_C，Y_C分别是单向板的纵向和横向拉伸压缩强度值，S_f为考虑纤维失效的剪切强度，S_ij为单向板主方向的剪切强度，是缝线的拉应力，是缝线的轴向拉伸强度。

4.根据权利要求1所述的缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，其特征在于：所述冲击损伤相应的材料属性变化方式具体为：

(1)纤维拉断：所有材料参数的退化系数设为0.07；

(2)纤维压断：所有材料参数的退化系数设为0.14；

(3)基体开裂：横向拉伸模量E₂、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃的退化系数设为0.2；

(4)基体挤压：横向拉伸模量E₂、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃的退化系数设为0.4；

(5)分层损伤：法向拉伸模量E₃、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃、面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃的退化系数设为0.01；

(6)缝线断裂：缝线的刚度退化为100Pa。

5.根据权利要求1所述的缝合复合材料冲击损伤及剩余强度全程分析方法，其特征在于：所述剩余强度的材料属性变化方式具体为：

(1)纤维拉断：所有材料参数的退化系数设为0.002；

(2)纤维压断：所有材料参数的退化系数设为0.002；

(3)基体开裂：横向拉伸模量E₂的退化系数设为0.008；

(4)基体挤压：横向拉伸模量E₂的退化系数设为0.008；

(5)分层损伤：法向拉伸模量E₃、面内剪切模量G₁₂、面外剪切模量G₁₃、面内泊松比ν₁₂、面外泊松比ν₁₃的退化系数设为0；

(6)缝线断裂：缝线的刚度退化为100Pa；

其中，纵向拉伸模量E₁、横向拉伸模量E₂、法向拉伸模量E₃不得低于150Pa，剪切刚度退化后取退化值与10⁵中的较大值，面内泊松比ν₁₂、法向泊松比ν₁₃不小于10^-5。