CN109697312B - 一种考虑bvid冲击损伤影响的复合材料开口分析方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑BVID冲击损伤影响的复合材料开口分析方法，1)通过冲击损伤后结构的剩余强度得到最危险的损伤距离，确定引入的BVID到复合材料大开口结构孔边的危险距离；2)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式；3)设计可求出修正系数的试样级试验矩阵；4)基于试验结果计算许用值修正系数的参数，得到复合材料开口结构设计许用值。5)根据开口的几何特征、曲率半径变化确定开口区的危险位置，基于有限元方法提取工作应变，确定强度分析公式。本发明通过上述方法，提供了一种能够降低研发成本、提高复合材料结构效率，缩短设计周期的一种考虑BVID冲击损伤影响的复合材料开口分析方法。

Description

一种考虑BVID冲击损伤影响的复合材料开口分析方法

技术领域

本发明涉及民用飞机复合材料开口结构含目视勉强可见冲击损伤(BVID)的设计许用值分析方法，属于复合材料机体结构强度设计领域。

背景技术

先进复合材料广泛的应用于民用飞机结构设计中，出于制造和使用功能上的要求，复合材料结构件包含大开口布置是不可避免的，在民用飞机设计领域，通常定义半径或曲率半径大于1in(25.4mm)的开口为大开口结构。准确的复合材料开口分析方法会对复合材料结构设计起到指导性作用。国际上，针对复合材料开口损伤失效问题，Whitney先是提出了点应力准则，该准则假定缺口尖端前某一特定距离的应力水平达到临界值时就认为层合板发生失效，并在此基础上提出了平均应力准则，但是该方法中特征距离的长度与层合板的铺层方式有关，需要通过曲线拟合及试验数据并依靠经验来确定，且目前未建立基于平均应力准则的开口分析参数标准值。P.Maimi等从材料Gibbs自由能密度出发，理论推导得到了复合材料开口二维含损伤本构模型，铺层的纵向与横向失效机理通过一系列损伤变量进行描述。NASA兰利研究中心针对复合材料提出的失效准则LaRC04，对复合材料开口结构的损伤破坏进行了数值模拟，可应用于实际工程计算。目前，对于复合材料开口结构，目前缺乏成熟的开口边缘应变设计许用值分析计算方法，传统的工程分析方法有很大的局限性，只针对特殊的开口或者单一的受载情况才有工程解。例如，姚辽军等针对拉伸载荷发展了复合材料三维CDM模型，将该模型应用于复合材料开口层合板的损伤破坏分析中，能够有效的模拟开口层合板从初始损伤到完全破坏的过程，但该方法适用的载荷形式单一，工程应用受到限制。

复合材料设计技术在商用飞机应用成熟度相对较低，目前并未形成标准的复合材料开口许用值设计方法，大多借鉴波音空客的经验数据或金属开口的分析方法，这样不能真实反映飞机服役过程中的应力、应变分布情况，而且可能带来过于保守的设计。依据以往波音和空客的设计分析经验，冲击损伤是影响开口复合材料结构设计分析的关键因素，复合材料冲击损伤的特点是在冲击表面无任何征兆的情况下，内部可能会出现大范围的内部分层，而且其压缩承载能力会急剧下降，从而危及飞机结构的安全。

基于以上背景，本发明在国外开口分析方法研究的基础上，引入BVID强度降理论，提出一种工程实用的复合材料大开口结构设计方法，适用于半径大于1in(25.4mm)的圆形开口以及曲率半径大于1in(25.4mm)的圆弧区域。方法中在开口周边引入BVID，确定复合材料大开口边缘BVID冲击损伤下的极限应变，并以此作为结构设计许用值。本方法的提出可优化结构设计，充分发挥复合材料大开口结构的承载能力，实现轻量化的设计目的。

发明内容

本发明的目的是为民用飞机复合材料开口结构提供顶层设计准则以及分析方法，弥补在复合材料开口结构设计方面的经验不足。民用飞机整个使用寿命期间，复合材料结构可能遭遇的最危险的损伤是外来物意外冲击所产生的损伤。当复合材料结构发生冲击损伤，直到损伤被发现前，其结构应能承受合理的载荷而不发生破坏或过度的结构变形。由于复合材料结构的特点，强度设计时必须考虑对结构性能的影响，特别是BVID引起的强度降低值。依据AC20-107B文件要求，民用飞机复合材料结构包含BVID应承受极限载荷的作用。为了满足适航要求，本发明首先认为复合材料结构成型后包含初始损伤，开口结构设计许用值必须考虑BVID影响；其次，给出以包含初始BVID为限制的复合材料开口设计许用值计算方法；最后，给出复合材料开口B基准值、开口半径、孔边切线方向单向带所占比例、环境修正系数的计算方法。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种考虑BVID冲击损伤影响的复合材料开口分析方法；

1)通过冲击损伤后结构的剩余强度得到最危险的损伤距离，确定引入的BVID到复合材料大开口结构孔边的危险距离；

2)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式；

3)设计可求出修正系数的试样级试验矩阵；

4)基于试验结果计算许用值修正系数的参数，得到复合材料开口结构设计许用值。

5)根据开口的几何特征、曲率半径变化确定开口区的危险位置，基于有限元方法提取工作应变，确定强度分析公式。

所述的1)中具体包括：

1.1)确定复合材料包含BVID所需冲击能量，设计压痕深度调查试验，确定不同厚度和不同铺层顺序的层压板产生回弹前的BVID的凹痕时所需要的冲击能量；

1.2)层压板冲击调查试验矩阵每组试验，同一个冲击能量做N个试件，要求引入的损伤尺寸，保证得到复合材料开口强度的门槛值；

1.3)试验结束后提供冲击能量-凹坑深度曲线，将冲击损伤的引入按照ASTM D7136-2007的要求实施；

1.4)在BVID冲击能量确定后，继续确定引入的冲击损伤位置到复合材料大开口结构孔边的危险距离，用此危险距离的BVID损伤来定义复合材料开口设计许用值；

1.5)复合材料层合板冲击后剩余强度与损伤到开口边界的距离是函数关系，通过冲击后压缩试验比较损伤位置在孔边与接近孔边的复合材料层合板剩余强度，确定导致复合材料大开口层合板剩余强度最小所对应的距离；

1.6)引入凹坑深度BVID损伤，通过无损检测确定产生的内部分层直径D，并布置在距离试验件边界不同长度范围内；BVID损伤为冲击后立即测量的凹坑深度，不考虑回弹影响，冲击能量和冲击头直径大小由层压板冲击调查试验结果进行分析得出。

所述的2)中具体包括：

2)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式；

2.1)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式，复合材料开口结构设计许用值通过公式1进行计算：

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{UD_t}×K_{B_basis}×K_Env (1)

其中：

ε_LCO：复合材料开口结构设计许用值；

ε_{LCO_baseline}：孔变基准应变值；

K_R：开口半径修正系数；

K_{UD_t}：为开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数；

K_{B_basis}：B基准值修正系数；

K_Env：环境修正系数；

2.2)影响系数：

2.2.1)孔变基准应变值ε_{LCO_baseline}

ε_{LCO_baseline}表示孔变基准应变值，基于复合材料积木式试验试样级别中的冲击后拉伸和冲击后压缩设计许用值通过公式2得到：

拉伸载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×TAI

压缩载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×CAI (2)

2.2.2)开口半径修正系数K_R

开口半径修正系数K_R可以通过公式3得到：

其中：

A和n为通过试验数据确定的参数变量；

R为开口或曲率半径；

2.2.3)为开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数K_{UD_t}

增加孔边切向纤维厚度百分比会提高复合材料层合板的冲击后剩余强度，考虑这个影响，引入参数UD_t，UD_t表示孔边切向纤维厚度占层合板总厚度的百分比，计算方法如公式4：

其中：

t_tape表示孔边切向纤维厚度；

t_laminate表示层合板厚度；

在计算t_tape时需要考虑孔边分析位置切线正负5°范围内的纤维，通过公式5计算切线纤维厚度百分比修正系数：

其中：

B：试验数据曲线拟合得到的常数；

α：UD_t的最大值；

2.2.4)B基准值修正系数K_{B_basis}

以B基准结果和试验数据归一化的平均值的比值作为B基准值修正系数，参考公式6计算：

(σ_B-basis)_i/RTD＝K_{B_basis}·(σ_Average)_i/RTD

式中：

(σ_Average)_i/RTD：室温干态的第i组试验数据的平均值；

K_{B_basis}:B基准值修正系数；

(σ_B-basis)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的B基准值；

(σ_Average)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的平均值；

2.2.5)环境修正系数K_Env

对于任意非基准值环境条件，环境修正系数定义为在相同的试验构型下平均失效应变在两种条件下的比值，环境修正系数的具体计算方法如下：

a)识别所有的试验构型，哪些是在基准值环境下的，哪些是在非基准值环境下的，用1,...m区别；

b)对于每个构型，通过公式7计算环境修正系数；

c)计算K_Env,i的离散系数CoV；

d)若CoV大于10％，定义环境修正系数方法的需要修订；

e)若CoV的值小于10％，通过公式8计算环境修正系数：

所述的3)中具体包括：规划可求出修正系数以及修正系数中参数变量的试样级试验矩阵，基于1)所确定的使得复合材料大开口结构剩余强度最小时所对应的损伤位置到孔边的距离，通过消除复合材料大开口结构自由边与应变区的相互影响确定试验件构型及几何尺寸。

所述的4)中具体包括：

4.1)通过3)的试验结果得到设计许用值影响系数，并将试验结果带入2)的影响系数计算公式中得到对应参数：

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{B_basis}×K_{UD_t}×K_Env

ε_{LCO_baseline}＝4589με

K_{B_basis}＝0.935

K_ETW＝0.882

4.2)通过以上参数得到复合材料开口设计许用值参考曲线。

所述的步骤5)中具体包括：

5.1)确定分析位置，孔边附近最危险的位置通过公式10计算安全裕度：

其中：

ε_LCO为复合材料开口设计许用值；

ε_tangential为复合材料开口工作应变：

5.2)凡是满足以下任何情况的位置均被视作危险位置，需要计算该位置的安全裕度：

对于含有多种曲率的开口，每种曲率半径对应的最大或最小主应变位置，每个位置至少选取一个点进行分析：

对于含有变化曲率的开口，选取最大曲率半径对应的位置，每个位置至少选取两个点进行分析；

如果分析位置的K_{UD_t}值大于1，需要在分析位置点的两侧额外分析两个点的安全裕度，这两个点的具体位置在原分析位置处切线方向旋转5°后与孔边切线的交点，依据应变分布区域以及开口几何形状，在开口周边计算其他位置的安全裕度；

ε_tangential为复合材料开口工作应变，孔边应变在满足要求的有限元模型中提取；对于有限元模型，孔边切向应变通过在同一半径方向的至少5个单元的质心应变，利用外推法或通过在孔边的可忽略刚度的杆单元或梁单元得到，非线性的多项式方程必须高于两阶；所选分析位置的网格尺寸要保证孔边应变足够精确，网格尺寸确定的收敛准则为模型每次计算所用的网格尺寸是上一次模型网格尺寸的一半，经过迭代，使得分析位置的应变值在前后两次计算结果误差在3％以内时，前一次迭代所用的网格尺寸满足要求。

本发明创造的有益效果为：

1、能够准确确定复合材料开口结构许用应变值。

2、能够提高复合材料结构效率，在满足结构强度要求基础上，设计出结构最优尺寸构型。

3、有助于减少不必要的保守设计，挖掘结构减重能力，降低设计研发成本。

4、形成一套适合的民用飞机复合材料开口结构工程设计方法。

5、本发明可广泛应用于民用飞机复合材料结构机体强度设计工作，在缩短设计周期、降低研发成本、提高结构经济性等方面起着关键性作用。

附图说明

图1是冲击能量-凹坑深度曲线示意图。

图2是确定BVID损伤距开口边缘危险距离示意图。

图3是t_tape计算纤维占比选取示意图。

图4是设计参数所需试验件构型及几何尺寸示意图。

图5是复合材料大开口设计许用值曲线示意图。

图6是确定分析位置示意图。

图7是有限元网格尺寸要求示意图。

图8是应变收敛准则示意图。

具体实施方式

一种考虑BVID冲击损伤影响的复合材料开口分析方法，

1)通过冲击损伤后结构的剩余强度得到最危险的损伤距离，确定引入的BVID到复合材料大开口结构孔边的危险距离：

具体包括：

1.1)确定复合材料包含BVID所需冲击能量，设计压痕深度调查试验，确定不同厚度和不同铺层顺序的层压板产生回弹前的BVID的凹痕时所需要的冲击能量；

1.2)层压板冲击调查试验矩阵每组试验，同一个冲击能量做N个试件，要求引入的损伤尺寸，保证得到复合材料开口强度的门槛值；

1.3)试验结束后提供冲击能量-凹坑深度曲线，将冲击损伤的引入按照ASTM D7136-2007的要求实施；

1.4)在BVID冲击能量确定后，继续确定引入的冲击损伤位置到复合材料大开口结构孔边的危险距离，用此危险距离的BVID损伤来定义复合材料开口设计许用值；

1.5)复合材料层合板冲击后剩余强度与损伤到开口边界的距离是函数关系，通过冲击后压缩试验比较损伤位置在孔边与接近孔边的复合材料层合板剩余强度，确定导致复合材料大开口层合板剩余强度最小所对应的距离；

1.6)引入凹坑深度BVID损伤，通过无损检测确定产生的内部分层直径D，并布置在距离试验件边界不同长度范围内；BVID损伤为冲击后立即测量的凹坑深度，不考虑回弹影响，冲击能量和冲击头直径大小由层压板冲击调查试验结果进行分析得出。

2)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式：

具体包括：

2.1)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式，复合材料开口结构设计许用值通过公式1进行计算：

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{UD_t}×K_{B_basis}×K_Env (1)

其中：

ε_LCO：复合材料开口结构设计许用值；

ε_{LCO_baseline}：孔变基准应变值；

K_R：开口半径修正系数；

K_{UD_t}：为开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数；

K_{B_basis}：B基准值修正系数；

K_Env：环境修正系数；

2.2)影响系数：

2.2.1)孔变基准应变值ε_{LCO_baseline}

ε_{LCO_baseline}表示孔变基准应变值，基于复合材料积木式试验试样级别中的冲击后拉伸和冲击后压缩设计许用值通过公式2得到：

拉伸载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×TAI

压缩载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×CAI (2)

2.2.2)开口半径修正系数K_R

开口半径修正系数K_R可以通过公式3得到：

其中：

A和n为通过试验数据确定的参数变量；

R为开口或曲率半径；

2.2.3)为开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数K_{UD_t}

增加孔边切向纤维厚度百分比会提高复合材料层合板的冲击后剩余强度，考虑这个影响，引入参数UD_t，UD_t表示孔边切向纤维厚度占层合板总厚度的百分比，计算方法如公式4：

其中：

t_tape表示孔边切向纤维厚度；

t_laminate表示层合板厚度；

在计算t_tape时需要考虑孔边分析位置切线正负5°范围内的纤维，通过公式5计算切线纤维厚度百分比修正系数：

其中：

B：试验数据曲线拟合得到的常数；

α：UD_t的最大值；

2.2.4)B基准值修正系数K_{B_basis}

以B基准结果和试验数据归一化的平均值的比值作为B基准值修正系数，参考公式6计算：

(σ_B-basis)_i/RTD＝K_{B_basis}·(σ_Average)_i/RTD

式中：

(σ_Average)_i/RTD：室温干态的第i组试验数据的平均值；

K_{B_basis}:B基准值修正系数；

(σ_B-basis)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的B基准值；

(σ_Average)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的平均值；

2.2.5)环境修正系数K_Env

对于任意非基准值环境条件，环境修正系数定义为在相同的试验构型下平均失效应变在两种条件下的比值，环境修正系数的具体计算方法如下：

a)识别所有的试验构型，哪些是在基准值环境下的，哪些是在非基准值环境下的，用1,...m区别；

b)对于每个构型，通过公式7计算环境修正系数；

c)计算K_Env,i的离散系数CoV；

d)若CoV大于10％，定义环境修正系数方法的需要修订；

e)若CoV的值小于10％，通过公式8计算环境修正系数：

3)设计可求出修正系数的试样级试验矩阵：

具体包括：规划可求出修正系数以及修正系数中参数变量的试样级试验矩阵，基于步骤1)所确定的使得复合材料大开口结构剩余强度最小时所对应的损伤位置到孔边的距离，通过消除复合材料大开口结构自由边与应变区的相互影响确定试验件构型及几何尺寸。

4)基于试验结果计算许用值修正系数的参数，得到复合材料开口结构设计许用值：

具体包括：

4.1)通过步骤3)的试验结果得到设计许用值影响系数，并将试验结果带入步骤2)的影响系数计算公式中得到对应参数：

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{B_basis}×K_{UD_t}×K_Env

ε_{LCO_baseline}＝4589με

K_{B_basis}＝0.935

K_ETW＝0.882。

4.2)通过以上参数得到复合材料开口设计许用值参考曲线。

5)根据开口的几何特征、曲率半径变化确定开口区的危险位置，基于有限元方法提取工作应变，确定强度分析公式。

5.1)确定分析位置，孔边附近最危险的位置通过公式10计算安全裕度：

其中：

ε_LCO为复合材料开口设计许用值；

ε_tangential为复合材料开口工作应变：

5.2)凡是满足以下任何情况的位置均被视作危险位置，需要计算该位置的安全裕度：

对于含有多种曲率的开口，每种曲率半径对应的最大或最小主应变位置，每个位置至少选取一个点进行分析：

对于含有变化曲率的开口，选取最大曲率半径对应的位置，每个位置至少选取两个点进行分析；

如果分析位置的K_{UD_t}值大于1，需要在分析位置点的两侧额外分析两个点的安全裕度，这两个点的具体位置在原分析位置处切线方向旋转5°后与孔边切线的交点，依据应变分布区域以及开口几何形状，在开口周边计算其他位置的安全裕度；

ε_tangential为复合材料开口工作应变，孔边应变在满足要求的有限元模型中提取；对于有限元模型，孔边切向应变通过在同一半径方向的至少5个单元的质心应变，利用外推法或通过在孔边的可忽略刚度的杆单元或梁单元得到，非线性的多项式方程必须高于两阶；所选分析位置的网格尺寸要保证孔边应变足够精确，网格尺寸确定的收敛准则为模型每次计算所用的网格尺寸是上一次模型网格尺寸的一半，经过迭代，使得分析位置的应变值在前后两次计算结果误差在3％以内时，前一次迭代所用的网格尺寸满足要求。

实施例1：

下面结合附图，对本发明具体实现过程进行详细描述。基本实现过程如下：

第一步：确定复合材料包含BVID所需冲击能量，设计压痕深度调查试验，确定不同厚度和不同铺层顺序的层压板产生回弹前2.5mm的BVID的凹痕时所需要的冲击能量。层压板冲击调查试验矩阵如表1所示，共75件，使用的冲击头直径为12.7mm和25.4mm两种。每组试验，同一个冲击能量做3个试件，要求引入的损伤尺寸能保证得到复合材料开口强度的门槛值。试验结束后提供冲击能量-凹坑深度曲线，如图1所示。冲击损伤的引入按照ASTM D7136-2007的要求实施。

表1压痕深度调查试验矩阵

在BVID冲击能量确定后，继续确定引入的冲击损伤位置到复合材料大开口结构孔边的危险距离，用此危险距离的BVID损伤来保守定义复合材料开口设计许用值。复合材料层合板冲击后剩余强度与损伤到开口边界的距离是函数关系，通过冲击后压缩试验比较损伤位置在孔边与接近孔边的复合材料层合板剩余强度，确定导致复合材料大开口层合板剩余强度最小所对应的距离。引入凹坑深度2.5mm的BVID损伤，通过无损检测确定产生的内部分层直径D，并布置在距离试验件边界不同长度范围内，如图2所示。层压板冲击后压缩强度试验矩阵如表2所示，共120件，冲击后压缩试验参照ASTM D 7137-2008的要求实施。表2中，2.5mm BVID损伤为冲击后立即测量的凹坑深度，不考虑回弹影响；冲击能量和冲击头直径大小由层压板冲击调查试验结果进行分析后给出。

表2冲击后压缩试验矩阵

注1：矩阵中采用l×m×n的形式表示所需试样数，l带代表需要的批次数；m代表每批次的试板数，试板应出自不同炉次；n代表每个试板的试样数。

第二步：确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式。复合材料开口结构设计许用值计算公式参见公式1。

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{UD_t}×K_{B_basis}×K_Env (1)

其中：

ε_LCO：开口设计许用值；

ε_{LCO_baseline}：孔边基准应变；

K_R：开口半径修正系数；

K_{UD_t}：开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数；

K_{B_basis}：B基准值影响系数；

K_Env：环境修正系数。

影响系数按如下方法得到：

1.孔边基准许用值ε_{LCO_baseline}

ε_{LCO_baseline}表示开口层合板的失效基准应变值，基于复合材料积木式试验试样级别中的冲击后拉伸和冲击后压缩设计许用值得到，参考公式2。

拉伸载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×TAI

压缩载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×CAI (2)

2.开口半径修正系数K_R

开口半径修正系数K_R可以通过公式3定义。

其中：

A和n为通过试验数据确定的参数变量；

R为开口或曲率半径。

3.切线纤维厚度百分比修正系数K_{UD_t}

试验表明增加孔边切向纤维厚度百分比会提高复合材料层合板的冲击后剩余强度，为了考虑这个影响，引入参数UD_t，UD_t表示孔边切向纤维厚度占层合板总厚度的百分比，计算方法如公式4。

其中：t_tape表示孔边切向纤维厚度；

t_laminate表示层合板厚度。

在计算t_tape时需要虑孔边分析位置切线正负5°范围内的纤维，如图3所示。通过公式5计算切线纤维厚度百分比修正系数。

其中：

B：试验数据曲线拟合得到的常数；

α：UD_t的最大值。

4.B基准影响系数K_{B_basis}

为了说明材料批次和工艺变动对复合材料开口设设计许用值的影响，需要以B基准结果和试验数据归一化的平均值的比值作为B基准修正系数。参考公式6计算。

(σ_B-basis)_i/RTD＝K_{B_basis}·(σ_Average)_i/RTD

式中：

(σ_Average)_i/RTD：室温干态的第i组试验数据的平均值；

K_{B_basis}:第i组试验数据的B基准影响系数；

(σ_B-basis)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的B基准值；

(σ_Average)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的平均值。

5.环境影响系数K_Env

对于任意非基准值环境条件，环境修正系数定义为在相同的试验构型下平均失效应变在两种条件下的比值，环境修正系数的具体计算方法如下：

a.识别所有的试验构型，哪些是在基准值环境下的，哪些是在非基准值环境下的，用1,...n区别。

b.对于每个构型，通过公式7计算环境修正系数。

c.计算K_Env,i的离散系数CoV

d.若CoV大于10％，定义环境修正系数方法的需要修订。

e.若CoV的值小于10％，通过公式8计算环境修正系数。

第三步：规划可求出修正系数以及修正系数中参数变量的试样级试验矩阵，如表3所示，基于步骤一所确定的使得复合材料大开口结构剩余强度最小时所对应的损伤位置到孔边的距离，通过消除复合材料大开口结构自由边与应变区的相互影响来确定试验件构型及几何尺寸，如图4所示。

表3设计参数所需试验矩阵

试验项目	试验条件	开口半径(in)	AML	厚度(in)	UDt	试验件数量
							RTA1	RTD	2	-10	0.15	0	5
RTA2	RTD	2	25	0.25	10	5
							RTA3	RTD	2	70	0.25	0	5
RTA4	RTD	4	-10	0.25	10	5
							RTA5	RTD	4	25	0.15	0	5
RTA6	RTD	4	70	0.15	10	5
							RTA7	RTD	100	-10	0.25	0	5
RTA8	RTD	100	25	0.15	10	5
							RTA9	RTD	100	70	0.25	0	5
ETW1	ETW	2	-10	0.15	0	5
							ETW2	ETW	4	-10	0.25	0	5
ETW3	ETW	100	70	0.25	0	5

注：AML值为层合板角度层(±45°)百分比减去纵向纤维层(0°)百分比得出。

第四步：通过步骤三的试验结果得到设计许用值影响系数，并将试验结果带入步骤二的影响系数计算公式中得到对应参数。。

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{B_basis}×K_{UD_t}×K_Env

ε_{LCO_baseline}＝4589με

K_{B_basis}＝0.935

K_ETW＝0.882

通过以上参数得到复合材料开口设计许用值参考曲线，如图5所示。

第五步：确定分析位置，孔边附近最危险的位置通过公式10计算安全裕度。

其中：

ε_LCO为复合材料开口设计许用值；

ε_tangential为复合材料开口工作应变。

凡是至少满足以下任何情况的位置均被视作危险位置，需要计算该位置的安全裕度。如图6所示。对于含有多种曲率的开口，每种曲率半径对应的最大或最小主应变位置，每个位置至少选取一个点进行分析。对于含有变化曲率的开口，选取最大曲率半径对应的位置，每个位置至少选取两个点进行分析。如果分析位置的K_{UD_t}值大于1，还需要在分析位置点的两侧额外分析两个点的安全裕度，这两个点的具体位置在原分析位置处切线方向旋转5°后与孔边切线的交点。依据应变分布区域以及开口几何形状，在开口周边可能还需计算一些其他位置的安全裕度，这些其他危险位置需要设计人员考虑到，可能需要分析来确定这些孔边的危险位置。

ε_tangential为复合材料开口工作应变，孔边应变必须通过满足一定要求的有限元模型中提取，对于有限元模型，距孔边25.4mm范围内在半径方向至少包含5个四边形壳单元，如图7所示，孔边切向应变可以通过在同一半径方向的至少5个单元的质心应变，利用外推法得到，非线性的多项式方程必须高于两阶，孔边应变还可以通过在孔边的可忽略刚度的杆单元或梁单元得到。所选分析位置的网格尺寸必须足够小以保证孔边应变足够精确，网格尺寸确定的收敛准则为模型每次计算所用的网格尺寸是上一次模型网格尺寸的一半，经过迭代，使得分析位置的应变值在前后两次计算结果误差在3％以内时，前一次迭代所用的网格尺寸满足要求。如图8所示。

以上所述仅是本发明的实现方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种考虑BVID冲击损伤影响的复合材料开口分析方法，其特征在于：

1)通过冲击损伤后结构的剩余强度得到最危险的损伤距离，确定引入的BVID到复合材料大开口结构孔边的危险距离；

1.1)确定复合材料包含BVID所需冲击能量，设计压痕深度调查试验，确定不同厚度和不同铺层顺序的层压板产生回弹前的BVID的凹痕时所需要的冲击能量；

1.2)层压板冲击调查试验矩阵每组试验，同一个冲击能量做N个试件，要求引入的损伤尺寸，保证得到复合材料开口强度的门槛值；

1.3)试验结束后提供冲击能量-凹坑深度曲线，将冲击损伤的引入按照ASTM D 7136-2007的要求实施；

1.4)在BVID冲击能量确定后，继续确定引入的冲击损伤位置到复合材料大开口结构孔边的危险距离，用此危险距离的BVID损伤来定义复合材料开口设计许用值；

1.5)复合材料层合板冲击后剩余强度与损伤到开口边界的距离是函数关系，通过冲击后压缩试验比较损伤位置在孔边与接近孔边的复合材料层合板剩余强度，确定导致复合材料大开口层合板剩余强度最小所对应的距离；

1.6)引入凹坑深度BVID损伤，通过无损检测确定产生的内部分层直径D，并布置在距离试验件边界不同长度范围内；BVID损伤为冲击后立即测量的凹坑深度，不考虑回弹影响，冲击能量和冲击头直径大小由层压板冲击调查试验结果进行分析得出；

2)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式；

2.1)确定复合材料开口设计许用值的计算公式及修正系数计算公式，复合材料开口结构设计许用值通过公式1进行计算：

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{UD_t}×K_{B_basis}×K_Env (1)

其中：

ε_LCO：复合材料开口结构设计许用值；

ε_{LCO_baseline}：孔变基准应变值；

K_R：开口半径修正系数；

K_{UD_t}：为开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数；

K_{B_basis}：B基准值修正系数；

K_Env：环境修正系数；

2.2)影响系数：

2.2.1)孔变基准应变值ε_{LCO_baseline}

ε_{LCO_baseline}表示孔变基准应变值，基于复合材料积木式试验试样级别中的冲击后拉伸和冲击后压缩设计许用值通过公式2得到：

拉伸载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×TAI

压缩载荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×CAI (2)

2.2.2)开口半径修正系数K_R

开口半径修正系数K_R可以通过公式3得到：

其中：

A和n为通过试验数据确定的参数变量；

R为开口或曲率半径；

2.2.3)为开口孔边切线方向单向带厚度百分比修正系数K_{UD_t}

增加孔边切向纤维厚度百分比会提高复合材料层合板的冲击后剩余强度，考虑这个影响，引入参数UD_t，UD_t表示孔边切向纤维厚度占层合板总厚度的百分比，计算方法如公式4：

其中：

t_tape表示孔边切向纤维厚度；

t_laminate表示层合板厚度；

在计算t_tape时需要考虑孔边分析位置切线正负5°范围内的纤维，通过公式5计算切线纤维厚度百分比修正系数：

其中：

B：试验数据曲线拟合得到的常数；

α：UD_t的最大值；

2.2.4)B基准值修正系数K_{B_basis}

以B基准结果和试验数据归一化的平均值的比值作为B基准值修正系数，参考公式6计算：

(σ_B-basis)_i/RTD＝K_{B_basis}·(σ_Average)_i/RTD

式中：

(σ_Average)_i/RTD：室温干态的第i组试验数据的平均值；

K_{B_basis}:B基准值修正系数；

(σ_B-basis)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的B基准值；

(σ_Average)_Baseline/RTD:室温干态条件下基线试验数据的平均值；

2.2.5)环境修正系数K_Env

对于任意非基准值环境条件，环境修正系数定义为在相同的试验构型下平均失效应变在两种条件下的比值，环境修正系数的具体计算方法如下：

a)识别所有的试验构型，哪些是在基准值环境下的，哪些是在非基准值环境下的，用1,...m区别；

b)对于每个构型，通过公式7计算环境修正系数；

c)计算K_Env,i的离散系数CoV；

d)若CoV大于10％，定义环境修正系数方法的需要修订；

e)若CoV的值小于10％，通过公式8计算环境修正系数：

3)设计可求出修正系数的试样级试验矩阵；

规划可求出修正系数以及修正系数中参数变量的试样级试验矩阵，基于1)所确定的使得复合材料大开口结构剩余强度最小时所对应的损伤位置到孔边的距离，通过消除复合材料大开口结构自由边与应变区的相互影响确定试验件构型及几何尺寸；

4)基于试验结果计算许用值修正系数的参数，得到复合材料开口结构设计许用值；

5)根据开口的几何特征、曲率半径变化确定开口区的危险位置，基于有限元方法提取工作应变，确定强度分析公式；

5.1)确定分析位置，孔边附近最危险的位置通过公式10计算安全裕度：

其中：

ε_LCO为复合材料开口设计许用值；

ε_tangential为复合材料开口工作应变：

5.2)凡是满足以下任何情况的位置均被视作危险位置，需要计算该位置的安全裕度：

对于含有多种曲率的开口，每种曲率半径对应的最大或最小主应变位置，每个位置至少选取一个点进行分析：

对于含有变化曲率的开口，选取最大曲率半径对应的位置，每个位置至少选取两个点进行分析；

如果分析位置的K_{UD_t}值大于1，需要在分析位置点的两侧额外分析两个点的安全裕度，这两个点的具体位置在原分析位置处切线方向旋转5°后与孔边切线的交点，依据应变分布区域以及开口几何形状，在开口周边计算其他位置的安全裕度；

ε_tangential为复合材料开口工作应变，孔边应变在满足要求的有限元模型中提取；对于有限元模型，孔边切向应变通过在同一半径方向的至少5个单元的质心应变，利用外推法或通过在孔边的可忽略刚度的杆单元或梁单元得到，非线性的多项式方程必须高于两阶；所选分析位置的网格尺寸要保证孔边应变足够精确，网格尺寸确定的收敛准则为模型每次计算所用的网格尺寸是上一次模型网格尺寸的一半，经过迭代，使得分析位置的应变值在前后两次计算结果误差在3％以内时，前一次迭代所用的网格尺寸满足要求。

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