CN109190258A - 一种基于内聚单元叠加的复合材料层板i型分层模拟方法 - Google Patents

一种基于内聚单元叠加的复合材料层板i型分层模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，包括以下步骤：(1)利用有限元软件ABAQUS，建立复合材料层板的双悬臂梁(以下简称DCB)试验件的上臂1、下臂2的三维有限元模型；(2)在上述DCB试验件上臂1、下臂2的三维有限元模型之间的界面处，建立两层内聚单元，其中一层内聚单元设置线性内聚力本构，另一层内聚单元设置指数型内聚力本构；(3)根据实际DCB试验的载荷状态，为三维有限元模型设置对应的载荷和约束条件；(4)用有限元软件ABAQUS的数值计算模块对复合材料层板中的I型分层行为进行数值模拟，得到模拟试验过程中的载荷‑位移曲线。本发明方法可准确预测复合材料多向铺层板的I型分层扩展阻力行为，而无须自定义内聚本构，方便、快捷，适合工程应用，可有效指导复合材料结构的设计与分析。

Description

一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法
技术领域
本发明是一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，属于复合材料结构损伤行为数值模拟技术领域。
背景技术
连续纤维增强复合材料因其具有较高的比强度和比刚度，可剪裁设计，疲劳性能好等优良的力学性能而在航空航天领域中得到日益广泛的应用。随着复合材料制造技术和复合材料结构设计、分析和应用技术的不断积累和发展，复合材料层板在军机和民机结构上的用量逐渐增加，应用部位也由次承力结构逐渐发展到受力状况复杂的主承力结构。随着复合材料在飞机主结构中的应用，复合材料层板结构的力学环境日益恶劣，复合材料层合板结构的安全性也越来越被人们所重视。复合材料层板在力学性能方面一大缺陷是层间性能差，在外载荷或其它如冲击、温度等外部因素作用下，往往会由于层间剪应力或层间拉应力超过其强度而引起分层。分层是复合材料层合结构所特有的性质和复合材料层板最常见的损伤形式之一，据统计，复合材料损伤60％为分层损伤。分层会导致复合材料的压缩强度或剪切强度明显降低，即使是局部分层也会引起刚度降低。在结构的服役过程中微小的分层损伤会由于扩展演化为严重的损伤而导致复合材料结构的全面失效，甚至引发灾难性事故。复合材料分层问题是复合材料结构使用中的主要隐患，这严重制约了复合材料在飞机主结构中的应用。
复合材料分层行为包括I型模式(张开型，即拉伸载荷垂直于裂纹面)，II型模式(剪切型，即剪切载荷平行于裂纹面，且裂纹扩展方向平行于剪切载荷)，III型模式(撕开型，即剪切载荷平行于裂纹面，且裂纹扩展方向垂直于剪切载荷)，以及上述三种基本模式的叠加。其中，I型分层是工程实际复合材料结构中常见、且最危险的一种分层模式。工程中广泛采用DCB试验研究复合材料I型分层行为，美标ASTM 5228对该试验的具体方法和操作规程进行了详细的论述。
近年来复合材料层板结构的I型分层问题越来越受到复合材料飞机结构设计人员和强度分析人员的重视。复合材料层板结构I型分层行为的准确预测，可有效降低测试成本，并对复合结构结构分析、设计、优化有重要的指导意义。迄今为止，复合材料分层的数值模拟技术主要有：采用界面单元(例如内聚单元)的方法、虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、虚拟节点法、弥散裂纹模型和扩展有限元方法(XFEM)。其中，采用内聚单元的方法通过定义拉力-裂纹张开位移本构(内聚力本够)，可模拟分层萌生、扩展的全过程，而在复合材料结构的分层模拟中得到广泛应用，许多商用有限元软件，例如软件，都针对该方法开发了相应的分析模块。
在复合材料I型分层扩展过程中，层间界面的分离，伴随着纤维桥联的发生，给分层扩展带来额外的阻力，外载荷除了克服分层前缘(裂尖)开裂的断裂功以外，还要克服纤维桥联而做功，因此在一定范围内必须持续提高外载荷，方能驱使I型分层继续向前扩展，这种行为被称为R阻力行为。现有的商用有限元软件模块，仅提供了线性和指数型这两种内聚单元本构，这两种本构在模拟复合材料I型分层阻力行为方面，均表现不佳。这是因为层间界面的分离和纤维桥联具有不同的断裂机制，单独使用线性和指数型这两种内聚单元本构，难以描述上述耦合的两种断裂机制。为此，现有研究中大都通过自定义内聚单元本构来实现。这种方式需要开发可嵌入有限元软件模块的用户子程序，对工程人员提出较高的技术要求，此外，用户自定义的子程序也常会出现难与商用有限元软件兼容而导致计算不收敛的问题，对工程中复合材料I型分层行为的准确模拟带来不小的挑战。
为此，亟需在现有有限元商用软件框架下开发能准确、快捷实现复合材料I型分层扩展的模拟方法，能便于工程人员应用，而无须用户进行子程序的自定义。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其目的是借助有限元软件提供的线性本构和指数型内聚本构，分别建立一层内聚单元，以采用线性本构的内聚单元模拟层间界面的分离，以采用指数型本构的内聚单元模拟纤维桥联，5然后将两层内聚单元叠加在一起，实现对连续纤维增强复合材料层板任意两个角度铺层间界面处I型分层扩展行为的准确模拟。该发明的方法便于工程应用，可有效指导复合材料层板结构的设计、分析。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、利用有限元软件ABAQUS，建立复合材料层板的双悬臂梁(以下简称DCB)试验件的上、下两臂的三维有限元模型以模拟实际DCB试验，上臂1、下臂2的三维有限元模型分别称作上臂三维有限元模型和下臂三维有限元模型；
步骤二、在上述DCB试验件上臂1、下臂2的三维有限元模型之间的界面处，建立两层内聚单元，该两层内聚单元在几何上是完全重合在一起的，其中一层内聚单元设置线性内聚力本构，称作内聚单元层I3，另一层内聚单元设置指数型内聚力本构，称作内聚单元层II4，内聚单元层I3模拟DCB试验件的上臂1、下臂2之间的界面处上、下表面的分离，内聚单元层II4模拟DCB试验件的上臂1、下臂2之间的界面处已分离表面之间的纤维桥联的断裂；
步骤三、根据实际DCB试验的载荷状态，为三维有限元模型设置对应的载荷和约束条件；
步骤四、将三维有限元模型提交到有限元软件ABAQUS的数值计算模块，对复合材料层板中的I型分层行为进行数值模拟，得到模拟试验过程中的载荷-位移曲线。
进一步，所述步骤一利用有限元软件ABAQUS，建立复合材料层板的DCB试验件的上臂1、下臂2的三维有限元模型的过程为：
(A1)按照DCB试验件上臂1、下臂2的实际尺寸，分别构建DCB两臂的三维模型；
(A2)按照DCB试验件上臂1、下臂2的铺层顺序，在ABAQUS属性定义模块，为上臂1、下臂2定义铺层坐标系，并参考该坐标系为上臂1、下臂2中的每一个铺层指定纤维铺设角度；
(A3)在ABAQUS软件的装配模块，将DCB试验件上臂1、下臂2的三维有限元模型组装在一起，使上臂三维有限元模型的下表面和下臂三维有限元模型的上表面重合在一起。
进一步，所述步骤二中，在上述DCB试验件上臂1、下臂2的三维有限元模型之间的界面处建立内聚单元层I3和内聚单元层II4的过程为：
(B1)按照实际DCB试验的上臂1、下臂2之间的界面的宽度和长度，建立两层独立的薄层，该薄层即为内聚单元层I3和内聚单元层II4，薄层厚度均为0.01mm；
(B2)对上述两个薄层分别进行网格细分，保证网格的长宽比小于4，并定义单元类型为8节点内聚单元(COH3D8)；
(B3)分别为内聚单元层I3和内聚单元层II4的上表面与DCB试验件上臂三维有限元模型)下表面定义绑定(Tie)接触，然后分别为内聚单元层I3和内聚单元层II(4)的下表面与DCB试验件下臂三维有限元模型上表面定义绑定(Tie)接触；
进一步，所述步骤二中为内聚单元层I3、内聚单元层II4设置线性内聚本构、指数型内聚本构的过程为：
(C1)在ABAQUS软件的材料属性定义模块，建立满足线性的拉力-裂纹张开位移关系的材料模型，设置包括界面刚度、界面强度和断裂韧度值的材料参数，其中，界面刚度包括法向刚度Kn，和两个方向的切向刚度Ks、Kt；采用二次应力准则判断分层起始，故界面强度包括法向拉伸强度Zt，以及两个方向的剪切强度S12、S13；断裂韧度参数设置为实际DCB试验测得的分层起始时的断裂韧度值GInit，将上述材料模型作为材料属性，赋予给内聚单元层I(3)；
(C2)在ABAQUS软件的材料属性定义模块，建立满足指数型的拉力-裂纹张开位移关系的材料模型，设置包括界面刚度、界面强度和断裂韧度值的材料参数，其中，界面刚度包括法向刚度K’n，和两个方向的切向刚度K’s、K’t；采用最大应力准则判断纤维桥联的断裂，故界面强度设置为纤维桥联应力的最大值断裂韧度值设置为实际DCB试验测得的R曲线上断裂韧度稳定值GProp与断裂韧度初始值GInit之差，这个值对应纤维桥联应力-裂纹张开位移曲线下的面积，将上述材料模型作为材料属性，赋予给内聚单元层II4。
进一步，所述步骤三中根据实际DCB试验的载荷状态，为三维有限元模型设置对应的载荷和约束条件的过程为：
(D1)根据实际DCB试验的载荷状态，约束DCB试验件下臂三维有限元模型的下表面与载荷的交线在3个方向的平移自由度；
(D2)根据实际DCB试验的载荷状态，在DCB试验件上臂三维有限元模型的上表面与载荷的交线上取一点作为参考点，为参考点与整条交线的自由度定义耦合关系，实现以“点”带“面”，然后在这个参考点上施加位移型载荷。
进一步，本发明方法所述的复合材料层板为连续纤维增强复合材料层板，所述I型分层是指层板中任意角度铺层界面处的I型分层。本发明的方法适用于连续纤维增强复合材料层板任意两个角度铺层之间层间界面处I型分层扩展行为的模拟。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明的复合材料层板I型分层模拟方法基于商用有限元ABAQUS模块，创新性地引入了线性和指数型本构内聚单元叠加的方法，即通过建立两个独立的内聚力单元层，并分别为其设置线性内聚力本构和指数型内聚力本构，解决了单独一个使用线性或指数型本构内聚单元层，难以准确模拟复合材料层板I型分层DCB试验中载荷-位移响应的难题。
2、本发明的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，不需要用户进行子程序的定义，便于工程设计人员使用。
3、本发明的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，可准确模拟I型分层扩展阻力行为，包括层间界面上、下表面分离，和后续发生的纤维桥联。
4、本发明的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，可用于任意铺层多向层板任意层间界面处的I型分层扩展行为模拟，可有效指导复合材料结构的铺层设计，进而显著缩短复合材料结构的研制周期。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是DCB试验件的构型和几何尺寸(单位：mm)；
图3是复合材料多向层板DCB试验件三维有限元模型；
图4 DCB试验件载荷位移曲线的测试结果与数值模拟结果对比。
具体实施方式
以下以一个复合材料层板I型分层DCB试验的实例对本发明的具体实施方式作进一步阐述，该实例仅用于解释和说明本发明，不构成对本发明的任何限制。
几何描述；
实际DCB试验件的构型和几何尺寸如图2所示，其中h是试验件上、下臂的厚度，B表示试验件的宽度。其中，DCB试验件的上臂和下臂均为铺层顺序为[90°/0°10/90°]的复合材料多向层板，其中每个复合材料单层平均厚度为0.185mm。在试验件层板的铺层阶段，将一层长度为40mm的聚四氟乙烯薄膜，嵌入上臂1、下臂2层板相邻的两个铺层之间，从而获得90°/90°层间界面处的预置分层5，并利用模具制造一个槽型结构6，以配合一种铰链式夹具。
复合材料单层材料基本性能为：E1＝195.3GPa，E2＝8.58GPa，G12＝4.57GPa，ν12＝0.337。根据实际DCB试验测试结果，90°/90°层间界面I型分层断裂韧度初值GInit＝350J/m2，断裂韧度初值GProp＝1100J/m2。界面强度参数：界面拉伸强度Zt＝88MPa，界面剪切强度S12＝S13＝140MPa。纤维桥联应力的最大值
实际DCB试验中采用一种快速装夹铰链式夹具，将试验件居中安装于铰链式夹具中，然后将其装载于MTS 880伺服液压试验机上，试验采用位移型加载模式，可获得准静态的I型分层扩展行为。
利用本发明所述的方法对上述DCB试验件中90°/90°层间界面处I型分层扩展过程中载荷-位移响应模拟的步骤为：
步骤一、利用有限元软件ABAQUS，建立复合材料层板的DCB试验件的上臂1、下臂2的三维有限元模型以模拟实际DCB试验，上臂1、下臂2的三维有限元模型分别称作上臂三维有限元模型和下臂三维有限元模型，如图3所示，具体过程如下：
(A1)按照DCB试验件上臂1、下臂2的实际尺寸，分别构建DCB两臂的三维模型；
(A2)按照DCB试验件上臂1、下臂2的铺层顺序，在ABAQUS属性定义模块，为上臂1、下臂2定义铺层坐标系，并参考该坐标系为上臂1、下臂2中的每一个铺层指定纤维铺设角度；
(A3)在ABAQUS软件的装配模块，将DCB试验件上臂1、下臂2的三维有限元模型组装在一起，使上臂三维有限元模型的下表面和下臂三维有限元模型的上表面重合在一起。
步骤二、在上述DCB试验件上臂1、下臂2的三维有限元模型之间的界面处，建立两层内聚单元，该两层内聚单元在几何上是完全重合在一起的，如图3所示，其中一层内聚单元设置线性内聚力本构，称作内聚单元层I3，另一层内聚单元设置指数型内聚力本构，称作内聚单元层II4，内聚单元层I3模拟DCB试验件的上臂1、下臂2之间的界面处上、下表面的分离，内聚单元层II4模拟DCB试验件的上臂1、下臂2之间的界面处已分离表面之间的纤维桥联的断裂，具体过程如下：
(B1)按照实际DCB试验的上臂1、下臂2之间的界面的宽度和长度，建立两层独立的薄层，该薄层即为内聚单元层I3和内聚单元层II4，薄层厚度均为0.01mm；
(B2)对上述两个薄层分别进行网格细分，保证网格的长宽比小于4，并定义单元类型为8节点内聚单元(COH3D8)；
(B3)分别为内聚单元层I3和内聚单元层II4的上表面与DCB试验件上臂三维有限元模型下表面定义绑定(Tie)接触，然后分别为内聚单元层I3和内聚单元层II4的下表面与DCB试验件下臂三维有限元模型上表面定义绑定(Tie)接触；
(B4)在ABAQUS软件的材料属性定义模块，建立满足线性的拉力-裂纹张开位移关系的材料模型，设置包括界面刚度、界面强度和断裂韧度值的材料参数，其中，界面刚度包括法向刚度Kn，和两个方向的切向刚度Ks、Kt；采用二次应力准则判断分层起始，故界面强度包括法向拉伸强度Zt，以及两个方向的剪切强度S12、S13；断裂韧度参数设置为实际DCB试验测得的分层起始时的断裂韧度值GInit，将上述材料模型作为材料属性，赋予给内聚单元层I(3)；
(B5)在ABAQUS软件的材料属性定义模块，建立满足指数型的拉力-裂纹张开位移关系的材料模型，设置包括界面刚度、界面强度和断裂韧度值的材料参数，其中，界面刚度包括法向刚度K’n，和两个方向的切向刚度K’s、K’t；采用最大应力准则判断纤维桥联的断裂，故界面强度设置为纤维桥联应力的最大值断裂韧度值设置为实际DCB试验测得的R曲线上断裂韧度稳定值GProp与断裂韧度初始值GInit之差，这个值对应纤维桥联应力-裂纹张开位移曲线下的面积，将上述材料模型作为材料属性，赋予给内聚单元层II(4)。
步骤三、根据实际DCB试验的载荷状态，为三维有限元模型设置对应的载荷和约束条件，具体过程为：
(C1)根据实际DCB试验的载荷状态，约束DCB试验件下臂三维有限元模型的下表面与载荷的交线在3个方向的平移自由度；
(C2)根据实际DCB试验的载荷状态，在DCB试验件上臂三维有限元模型的上表面与载荷的交线上取一点作为参考点，为参考点与整条交线的自由度定义耦合关系，实现以“点”带“面”，然后在这个参考点上施加位移型载荷。
步骤四、将三维有限元模型提交到有限元软件ABAQUS的数值计算模块，对复合材料层板中的I型分层行为进行数值模拟，利用ABAQUS的后处理模块，将模拟的加载历程中参考点上的载荷-位移数据输出来，即为得到的模拟I型分层试验过程中的载荷-位移曲线。将上述载荷-位移曲线的模拟结果与试验测得的载荷-位移曲线进行对比，对比结果如图4所示。
由图4可见，采用本发明方法模拟得到的I型分层扩展过程中的载荷-位移曲线与真实DCB试验中的结果吻合较好，说明本发明的方法可准确模拟复合材料层板中的I型分层扩展阻力行为。

Claims (6)

1.一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、利用有限元软件ABAQUS，建立复合材料层板的双悬臂梁(以下简称DCB)试验件的上臂(1)、下臂(2)的三维有限元模型以模拟实际DCB试验，上臂(1)、下臂(2)的三维有限元模型分别称作上臂三维有限元模型和下臂三维有限元模型；
步骤二、在上述DCB试验件上臂(1)、下臂(2)的三维有限元模型之间的界面处，建立两层内聚单元，该两层内聚单元在几何上是完全重合在一起的，其中一层内聚单元设置线性内聚力本构，称作内聚单元层I(3)，另一层内聚单元设置指数型内聚力本构，称作内聚单元层II(4)，内聚单元层I(3)模拟DCB试验件的上臂(1)、下臂(2)之间的界面处上、下表面的分离，内聚单元层II(4)模拟DCB试验件的上臂(1)、下臂(2)之间的界面处已分离表面之间的纤维桥联的断裂；
步骤三、根据实际DCB试验的载荷状态，为三维有限元模型设置对应的载荷和约束条件；
步骤四、将三维有限元模型提交到有限元软件ABAQUS的数值计算模块，对复合材料层板中的I型分层行为进行数值模拟，得到模拟试验过程中的载荷-位移曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：所述步骤一利用有限元软件ABAQUS，建立复合材料层板的DCB试验件的上臂(1)、下臂(2)的三维有限元模型的过程为：
(A1)按照DCB试验件上臂(1)、下臂(2)的实际尺寸，分别构建DCB两臂的三维模型；
(A2)按照DCB试验件上臂(1)、下臂(2)的铺层顺序，在ABAQUS 属性定义模块，为上臂(1)、下臂(2)定义铺层坐标系，并参考该坐标系为上臂(1)、下臂(2)中的每一个铺层指定纤维铺设角度；
(A3)在ABAQUS软件的装配模块，将DCB试验件上臂(1)、下臂(2)的三维有限元模型组装在一起，使上臂三维有限元模型的下表面和下臂三维有限元模型的上表面重合在一起。
3.根据权利要求1所述的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：所述步骤二中，在上述DCB试验件上臂(1)、下臂(2)的三维有限元模型之间的界面处建立内聚单元层I(3)和内聚单元层II(4)的过程为：
(B1)按照实际DCB试验的上臂(1)、下臂(2)之间的界面的宽度和长度，建立两层独立的薄层，该薄层即为内聚单元层I(3)和内聚单元层II(4)，薄层厚度均为0.01mm；
(B2)对上述两个薄层分别进行网格细分，保证网格的长宽比小于4，并定义单元类型为8节点内聚单元(COH3D8)；
(B3)分别为内聚单元层I(3)和内聚单元层II(4)的上表面与DCB试验件上臂三维有限元模型下表面定义绑定(Tie)接触，然后分别为内聚单元层I(3)和内聚单元层II(4)的下表面与DCB试验件下臂三维有限元模型上表面定义绑定接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：所述步骤二中为内聚单元层I(3)、内聚单元层II(4)设置线性内聚本构、指数型内聚本构的过程为：
(C1)在ABAQUS软件的材料属性定义模块，建立满足线性的拉力-裂纹张开位移关系的材料模型，设置包括界面刚度、界面强度和断裂韧度值的材料参数，其中，界面刚度包括法向刚度Kn，和两个方向的切向刚度Ks、Kt；采用二次应力准则判断分层起始，故界面强度包括法向拉伸强度Zt，以及两个方向的剪切强度S12、S13；断裂韧度参数设置为实际DCB试验测得的分层起始时的断裂韧度值GInit，将上述材料模型作为材料属性，赋予给内聚单元层I(3)；
(C2)在ABAQUS软件的材料属性定义模块，建立满足指数型的拉力-裂纹张开位移关系的材料模型，设置包括界面刚度、界面强度和断裂韧度值的材料参数，其中，界面刚度包括法向刚度K’n，和两个方向的切向刚度K’s、K’t；采用最大应力准则判断纤维桥联的断裂，故界面强度设置为纤维桥联应力的最大值断裂韧度值设置为实际DCB试验测得的R曲线上断裂韧度稳定值GProp与断裂韧度初始值GInit之差，这个值对应纤维桥联应力-裂纹张开位移曲线下的面积，将上述材料模型作为材料属性，赋予给内聚单元层II(4)。
5.根据权利要求1所述的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：所述步骤三中根据实际DCB试验的载荷状态，为三维有限元模型设置对应的载荷和约束条件的过程为：
(D1)根据实际DCB试验的载荷状态，约束DCB试验件下臂三维有限元模型的下表面与载荷的交线在3个方向的平移自由度；
(D2)根据实际DCB试验的载荷状态，在DCB试验件上臂三维有限元模型的上表面与载荷的交线上取一点作为参考点，为参考点与整条交线的自由度定义耦合关系，实现以“点”带“面”，然后在这个参考点上施加位移型载荷。
6.根据权利要求1所述的一种基于内聚单元叠加的复合材料层板I型分层模拟方法，其特征在于：本发明方法所述的复合材料层板为连续纤维增强复合材料层板，所述I型分层是指层板中任意角度铺层界面处的I型分层。
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