CN110909498A - 带孔复合材料层合板分层损伤与力学行为的精确预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种带孔复合材料层合板分层损伤与力学行为的精确预测方法，根据选用层合板的尺寸、结构与加工参数，进行钻孔仿真数值模拟；然后仿真结果计算出损伤范围等效直径，并用其建立含有损伤的带孔层合板模型并进行力学仿真，实现分层损伤与力学行为的精确预测；本发明实现了带孔复合材料层合板从制造加工到性能评价全流程模型化与数据化构建，为数据驱动的连接结构设计提供了一条新思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料检测领域的技术，具体涉及一种基于试验检测与有限元分析的纤维增强复合材料开孔分层损伤程度评估与量化传递方法。
背景技术
玻璃纤维复合材料与碳纤维复合材料在连接结构加工制造时，不可避免需要钻孔加工。纤维增强复合材料大多是以多层单板复合材料板层叠而成的层合板，层与层之间以基体连接，这导致了材料层间性能往往弱于面内性能，在多种失效模式中占有主要地位，往往决定了材料力学行为。Daxi Geng等在期刊《Composite Structures》2019年第216卷中指出，钻孔分层是一种最不受欢迎的损伤形式和最具挑战性的破坏形式，国内外学者在分层形成机理、分层定量方法和测量技术、分层抑制策略(包括工具设计优化、钻孔条件优化和高性能钻孔方法)等方面进行了大量工作。虽然学者对钻孔损伤进行了评估，但是评估指标不统一，无法应用于进一步精确评估损伤后材料的力学行为。
复合材料层合板钻孔损伤具有三个研究层面：首先是面向钻孔过程的研究，主要考虑钻头样式选择、钻头钻速与给进速度、被加工件支撑条件等；然后是面向钻孔损伤，主要考虑无损探伤方法、损伤识别方法、损伤量化方法等；最后是面向钻孔后材料力学性能，主要考虑静态力学行为、冲击力学行为与疲劳性能等。在设计优化过程中，如何正确描述钻孔过程对缺陷的引发机理、如何准确测量钻孔后的材料损伤程度、如何准确评价带孔的材料力学性能，是提高连接结构服役寿命与可靠程度的关键所在。
针对钻孔过程的研究，Gong-Dong Wang等在期刊《Adv Manuf Technol》2018年第94卷中指出，复合材料的钻孔无疑是复杂的过程，要考虑的变量太多。这使得设计能够完全预测损伤的试验程序变得非常困难。这就需要能够模拟整个损伤过程的模型，从初始到演化，直至完成复合材料结构的破坏。目前有几十种有限元(FE)软件可以用于数值模拟，其中Abaqus/CAE是最常用的复合材料分析软件。利用数值仿真模拟，可以准确描述开孔过程、并且与试验结果一致。
针对钻孔损伤的研究，Daxi Geng等在期刊《Composite Structures》2019年第216卷中总结了现阶段无损探伤检查钻孔分层损伤的一系列方法，包括显微观测、基于阴影云纹激光的成像、C扫、X射线等检测技术。获得损伤检测结果后，对如何利用损伤检测图线显示的内容量化损伤的严重程度，Jinyang Xu等在期刊《Composite Structures》2018年第201卷中提出了基于三维损伤探测技术的三维分层损伤参数，综合考虑的各层分层状况，是原始的一维、二维损伤参数的扩展形式。
针对钻孔后材料力学性能，李汝鹏等在期刊《航空材料学报》2018年第38卷第5期中研究了基于渐进损伤理论的复合材料开孔拉伸失效分析，利用三维Hashin失效准则预测材料初始失效，基于渐进损伤理论提出合适的刚度折减方案。Naeim Akbari Shahkhosravi等在期刊《Composites Part B》2019年第163卷中研究了玻璃纤维开孔损伤后的疲劳行为。
虽然已有学者尝试定量描述损伤程度，但是选择的损伤参数往往仅限于评估损伤严重程度，无法由损伤参数推理出损伤实际情况，也就无法在带孔材料力学性能评估中使用该参数。同时也有学者研究了带孔材料的力学行为，但是并没有考虑加工过程引入的损伤。
针对带孔复合材料层合板力学性能预测问题，如何利用数值模型准确描述开孔过程，并且准确提取开孔引发的层间损伤，同时在带孔复合材料力学性能预测时引入损伤，是保证预测精度的关键。同时，从加工、评估到性能预测的全模型化流程，是数据驱动的连接设计的关键环节。
发明内容
本发明针对现有损伤参数无法用于预测损伤后材料力学性能的局限性，提出一种带孔复合材料层合板分层损伤与力学行为的精确预测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明根据选用层合板的尺寸、结构与加工参数，进行钻孔仿真数值模拟；然后仿真结果计算出损伤范围等效直径，并用其建立含有损伤的带孔层合板模型并进行力学仿真，实现分层损伤与力学行为的精确预测。
所述的钻孔仿真数值模拟是指：依据选择的钻孔对象层合板与开孔工具，将层合板进行面内划分为几何层面的三维实体模型，将层合板层间划分为厚度为零的内聚力单元，将开孔工具划分为刚性单元，将开孔加工、损伤量化、带孔材料力学性能纳入三维实体模型中，得到开孔后层间损伤情况。
所述的开孔加工，利用三维有限元建立层合板面内与层间的材料模型，并对开孔加工全过程仿真，其中层合板面内采用考虑损伤演化的唯象损伤本构，在线性阶段本构模型，其张量形式为：εi＝Sijσj，其中：，i与j分别代表六个应变分量与六个应力分量，i,j＝1,2,...,6，在复合材料层合板中
所述的损伤量化是指：一旦发生损伤，材料本构由线性转变为非线性，引入损伤变量D的非线性本构模型为：
其中：
为损伤后的应力张量，
为损伤后的柔度矩阵，Dij为张量形式的损伤变量。
对于材料由线性向非线性转化的判别式被称为损伤准则，蔡-吴准则适用于叠层材料钻孔加工过程的损伤失效判别，其表达式为：fiσi+fijσiσj＝1，，其中：fij＝fji，f为损伤张量系数，i与j均代表六个应力分量，i,j＝1,2,...,6。
所述的厚度为零的内聚力单元是指：使用的结合力与分离距离之间的关系ti＝Kijδj，其中：ti为三个方向，即垂直面的法向力与平行于面的两个切向力描述界面性能的力，i,j＝1,2,3，Kij为刚度矩阵，δj为三个方向的分离距离。
所述的开孔加工全过程仿真是指：当层间损伤发生后，结合力与分离距离间的关系更新为
其中：线性损伤变量
为初始失效点的分离距离，
为完全失效点的分离距离，最大分离距离
利用建立的层合板模型，结合实际加工情况设置钻头钻速与进给速度，设置接触与边界条件，采用ABAQUS软件进行仿真。
所述的钻头转速与进给速度的设置是指：依据实际使用钻头的尺寸、形貌与硬度，同时结合实际实际生产节拍进行选择。考虑到转速越高，切削温度越高，进给速度越大，切削温度越低，同时考虑刀具磨损因素，钻头转速应控制在12000r/min以下，进给速度选择范围在20mm/min至120mm/min比较合适。
所述的接触与边界条件是指：建模过程中接触条件包含刀具与板材的接触与各单层板之间的接触，选择硬接触模型，摩擦系数0.15。边界位移条件依据实际加工加持条件确定。
所述的损伤范围等效直径是指：将仿真结果中层间损伤图像的区域，选择合适的损伤量化方法，并计算损伤范围等效直径。
所述的合适的损伤量化方法包括但不限于：一维分层量化方法、二维分层量化方法与三维分层量化方法。
所述的分层损伤参数及其对应的损伤范围等效直径包括：
一维分层系数
损伤范围等效直径Dequ＝Dmax；
最小分层系数
损伤范围等效直径Dequ＝Dmin；
二维分层系数
损伤范围等效直径
调整分层系数
损伤范围等效直径
等量分层系数
损伤范围等效直径
三维分层系数
损伤范围等效直径
其中：Dmax为分层区域的最大直径，Dmin为分层区域的最小封闭直径，Dnom为实际钻孔直径，Adel为分层区域的实际面积，Anom为开孔区域的面积，Amax为以Dmax为直径的区域面积，Dequ为损伤范围等效直径。
所述的建立含有损伤的带孔层合板模型是指：建立带孔板的几何模型，按照实际开孔层合板铺层情况建立面内与层间区域，将面内划分为实体单元，层间建立厚度为零的内聚力单元；孔周区域根据等效范围直径标定出层与层之间分离的部分，该区域没有内聚力单元联系两边的面内单元，即为开孔的初始损伤区域。
所述的力学仿真是指：依据实际边界条件与加载条件进行含有加工分层损伤的带孔层合板力学性能仿真。
所述的实际边界条件与加载条件是指：带孔板实际需要进行测试的力学试验类型，如钉孔挤压、拉伸、压缩等实验。加载条件按照对应试验项目的试验标准确定，具体参考带孔复合材料力学试验国家标准。
技术效果
与现有技术相比，本发明整体所解决的技术效果是：实现了由钻孔引发的分层损伤区域的量化与含钻孔分层损伤碳纤维层合板力学性能的准确预测；利用钻孔工艺仿真评价钻孔损伤、利用含分层损伤的数值模型预测力学性能，实现了由加工到性能预测的全流程模型化。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明中开孔仿真过程示意图；
图3为本发明中层间损伤情况示意图；
图4为本发明中损伤范围等效直径量化示意图；
图5为本发明中钉孔挤压试验示意图；
图6为本发明中结果对比图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种平纹机织碳纤维层合板的分层损伤与力学行为的精确预测方法，包括以下步骤：
步骤一、钻孔仿真分析：根据选用材料尺寸、单层厚度、层数、建立模型并划分网格，同时将钻孔所用钻头建模并划分网格。本实施例中层合板为东丽T700碳纤维增强环氧基平纹机织复合材料，总厚度为2mm，共5层，全部以零度方向铺设，面内网格总数为96605，层间内聚力单元总数为77284。钻头选用6mm直径麻花钻，由于钻头硬度相对层合板而言很大，将钻头简化为刚体有利于提升计算效率，而碳纤维层合板性能利用拉伸、压缩、面内剪切试验获得材料面内性能，通过层间剪切、G1c测试、G2c测试获得材料层间性能，部分关键性能参数如表2与表3所示。
所述的网格划分方法是：面内使用体单元或厚壳单元，层间使用内聚力单元，同时壳单元与内聚力单元共节点连接；钻头使用刚性单元。
表2平纹机织碳纤维层合板面内力学性能参数
表3平纹机织碳纤维层合板层间力学性能参数
本实施例采用Abaqus软件将材料面内本构与层间本构用VUMAT用户子程序定义，依据实际钻孔加持条件，将层合板四边固支，设置钻头钻速为3000r/min，给进速度为2mm/s。
利用Abaqus软件中的显式算法对钻孔过程进行仿真，得到开孔加工全过程仿真过程如图2(a)所示，最终开孔仿真结果如图2(b)所示。
步骤二、获取损伤范围等效直径：提取步骤一中层间内聚力单元，不显示将完全脱层损伤的单元，发生脱层损伤的单元用浅绿色表示，完全没发生脱层损伤的单元用深蓝色表示，如图3(a)，为了验证结果的可靠性，使用C扫对实际开孔碳纤维层合板进行无损检测，结果如图3(b)所示。证明了数值仿真结果的可靠性。
本实施例选择二维损伤参数，对损伤范围等效直径进行量化，量化公式在表1中列出，量化过程示意图如图4所示。依据仿真结果损伤面积计算出Dequ等于7.2mm。
步骤三、进行引入开孔损伤的碳纤维层合板钉孔挤压测试与仿真：建立钻孔后复合材料层合板模型，板材参数与步骤一中一致。但考虑到开孔后分层，将损伤范围等效直径引入建模过程中，即其中面内单元中间存在6mm直径的洞，而层间单元中间存在7.2mm直径的洞，这表示在孔周两层层合板之间存在0.6mm的分层区域。受载情况为固支板一端，在孔内插入一根直径为6mm的销钉向另一端做钉孔挤压加载，加载速度为2mm/min。该步骤依据量化得到的等效损伤直径，删除分布在孔周的以损伤等效直径范围内的层间内聚力单元，达到引入孔周各层板之间分层损伤的效果。
所述的钻孔后复合材料层合板模型中网格划分包含面内与层间网格，并且孔周存在以损伤范围等效直径描述的分层损伤。
为验证仿真结果的可靠性，进行了钉孔挤压试验作为对照，钉孔挤压试验如图5所示。对比仿真结果与试验结果，如图5(a)所示，由于加工导致的分层损伤，导致试验过程中孔周出现了明显分层，在仿真中同样体现出分成效果；如图5(b)所示，由试验可知钉孔挤压变形模式为钉孔变形，同时下端出现顶出变形，同样在仿真中准确模拟了钉孔挤压变形与下端的顶出变形。以上对比说明了该方法的有效性。
传统的开孔损伤评价往往只利用无损探伤等技术评价损伤程度，采用的量化参数无法用于反向构建出损伤区域；传统的带孔层合板力学性能预测往往无法将由钻孔加工导致的分层损伤引入。传统钻孔仿真往往仅考虑开孔过程钻头作用力大小、损伤区域的显示，无法将所得结果进一步利用到性能预测中。
本发明以损伤范围等效直径为核心，将复合材料层合板钻孔过程仿真计算出的分层损伤区域进行量化，独创使用的平纹机织碳纤维层合板面内力学性能参数与平纹机织碳纤维层合板层间力学性能参数，并将量化后的参数带入带孔复合材料层合板力学性能预测的仿真建模过程中，通过损伤范围等效直径获取方法和含钻孔损伤的带孔碳纤维板建模并以钉孔挤压试验形成完整的技术链条，本方法钻孔损伤导致材料性能衰减情况的预测效率与预测精度。为以模型与数据驱动的连接结构的加工与设计提供了一套全新思路。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种带孔复合材料层合板分层损伤与力学行为的精确预测方法，其特征在于，根据选用层合板的尺寸、结构与加工参数，进行钻孔仿真数值模拟；然后仿真结果计算出损伤范围等效直径，并用其建立含有损伤的带孔层合板模型并进行力学仿真，实现分层损伤与力学行为的精确预测；
所述的钻孔仿真数值模拟是指：依据选择的钻孔对象层合板与开孔工具，将层合板进行面内划分为几何层面的三维实体模型，将层合板层间划分为厚度为零的内聚力单元，将开孔工具划分为刚性单元，将开孔加工、损伤量化、带孔材料力学性能纳入三维实体模型中，得到开孔后层间损伤情况。
2.根据权利要求1所述的精确预测方法，其特征是，所述的开孔加工，利用三维有限元建立层合板面内与层间的材料模型，并对开孔加工全过程仿真，其中层合板面内采用考虑损伤演化的唯象损伤本构，在线性阶段本构模型，其张量形式为：εi＝Sijσj，其中：，i与j分别代表六个应力分量与六个应变分量，i,j＝1,2,...,6，在复合材料层合板中
3.根据权利要求1所述的精确预测方法，其特征是，所述的损伤量化是指：一旦发生损伤，材料本构由线性转变为非线性，引入损伤变量D的非线性本构模型为：
其中：
为损伤后的应力张量，
为损伤后的柔度矩阵，Dij为张量形式的损伤变量；
对于材料由线性向非线性转化的判别式被称为损伤准则，蔡-吴准则适用于叠层材料钻孔加工过程的损伤失效判别，其表达式为：fiσi+fijσiσj＝1，，其中：fij＝fji，f为损伤张量系数，i与j分别代表六个应力分量与六个应变分量，i,j＝1,2,...,6。
4.根据权利要求1所述的精确预测方法，其特征是，所述的厚度为零的内聚力单元是指：使用的结合力与分离距离之间的关系ti＝Kijδj，其中：ti为三个方向，即垂直面的法向力与平行于面的两个切向力描述界面性能的力，i,j＝1,2,3，Kij为刚度矩阵，δj为三个方向的分离距离。
5.根据权利要求2所述的精确预测方法，其特征是，所述的开孔加工全过程仿真是指：当层间损伤发生后，结合力与分离距离间的关系更新为
其中：线性损伤变量
为初始失效点的分离距离，
为完全失效点的分离距离，最大分离距离
利用建立的层合板模型，结合实际加工情况设置钻头钻速与进给速度，设置接触与边界条件，采用ABAQUS软件进行仿真。
6.根据权利要求5所述的精确预测方法，其特征是，所述的钻头钻速与进给速度，设置为：钻头转速小于等于12000r/min，进给速度为20mm/min至120mm/min。
7.根据权利要求5所述的精确预测方法，其特征是，所述的接触与边界条件是指：建模过程中接触条件包含刀具与板材的接触与各单层板之间的接触，选择硬接触模型，摩擦系数0.15，边界位移条件依据实际加工加持条件确定。
8.根据权利要求1所述的精确预测方法，其特征是，所述的损伤范围等效直径是指：将仿真结果中层间损伤图像的区域，选择一维分层量化方法、二维分层量化方法或三维分层量化方法，并计算损伤范围等效直径；
所述的分层损伤参数及其对应的损伤范围等效直径包括：
一维分层系数
损伤范围等效直径Dequ＝Dmax；
最小分层系数
损伤范围等效直径Dequ＝Dmin；
二维分层系数
损伤范围等效直径
调整分层系数
损伤范围等效直径
等量分层系数
损伤范围等效直径
三维分层系数
损伤范围等效直径
其中：Dmax为分层区域的最大直径，Dmin为分层区域的最小封闭直径，Dnom为实际钻孔直径，Adel为分层区域的实际面积，Anom为开孔区域的面积，Amax为以Dmax为直径的区域面积，Dequ为损伤范围等效直径。
9.根据权利要求1所述的精确预测方法，其特征是，所述的建立含有损伤的带孔层合板模型是指：建立带孔板的几何模型，按照实际开孔层合板铺层情况建立面内与层间区域，将面内划分为实体单元，层间建立厚度为零的内聚力单元；孔周区域根据等效范围直径标定出层与层之间分离的部分，该区域没有内聚力单元联系两边的面内单元，即为开孔的初始损伤区域。
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