CN111104751B - 一种复合材料连杆的强度分析方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料连杆的强度分析方法，现有模型对强度分析不准确的问题，属于飞机结构的设计领域。本发明包括：S1、采用双线性模型来模拟复合材料，用来表征三种载荷下界面单元各应力与界面相对分开位移间的力学关系，三种载荷包括I型载荷、II型载荷和III型载荷；S2、在双线性模型中，若界面单元各应力分量满足

时，确定分层损伤产生，其中δ_z表示传递到界面层处的法向拉伸应力；τ_xz和τ_yz分别表示xz面和yz剪切应力；T和S分别表示标称法向拉伸强度和标称剪切强度；S3、获取损伤过程释放的总能量G_T，当释放的总能量G_T满足：

时，界面单元将不再承载，分层扩展。

Description

一种复合材料连杆的强度分析方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料连杆，特别涉及一种复合材料连杆的强度分析方法，属于飞机结构的设计领域。

背景技术

飞机的发展主要以低成本、高运载能力为目标，要达到这个目标首先要解决的是结构减重问题，吊挂盒段下连杆,是吊挂盒段的重要传力零件，用于连接吊挂盒段底部和机翼下翼面,传递发动机推力。传统飞机，包括B737、B777、C919飞机均采用金属材料，但随着复合材料技术的进步，相比于传统钢制连杆结构，如果吊挂连杆采用金属和复合材料相结合，可以减重50％～60％，潜在经济效益巨大。因此，发展复合材料连杆是实现飞机减重目的的关键技术之一。

通过分析连杆的强度和刚度等，探索复合材料在以承受拉压载荷环境为主的大尺寸杆件应用的可能性。作为连续介质力学的一部分，内聚力理论介于损伤力学和断裂力学之间，充分地考虑了界面物质组成，通过适当地选取界面参数，可以反映界面物质层的模量、强度、韧性、损伤的产生和扩展等。分层损伤产生和分层损伤扩展可以通过在复合材料铺层间放置界面单元来实现，采用合适的本构方程是应用界面单元准确模拟分层损伤扩展的基础。目前已形成多种不同的应变软化模型，虽然不同的模型具有不同的软化形式，但是在破坏开始后，所有软化模型的粘接区仍然可以传递载荷，强度分析不准确。

发明内容

针对现有模型对强度分析不准确的问题，本发明提供一种复合材料连杆的强度分析方法。

本发明的一种复合材料连杆的强度分析方法，所述方法包括：

S1、采用双线性模型来模拟复合材料，用来表征三种载荷下界面单元各应力与界面相对分开位移间的力学关系，三种载荷包括I型载荷、II型载荷和III型载荷；其中拉伸应力δ<δ⁰时为I型载荷，当δ⁰≤δ<δ^max时表示II型载荷，当拉伸应力δ≥δ^maxx时表示III型载荷；δ⁰表示复合材料开始产生损伤的拉伸应力，δ^max表示复合材料的最大承受应力；

S2、在双线性模型中，若界面单元各应力分量满足

时，确定分层损伤产生，其中δ_z表示传递到界面层处的法向拉伸应力；τ_xz和τ_yz分别表示xz面和yz剪切应力；T和S分别表示标称法向拉伸强度和标称剪切强度；

S3、获取损伤过程释放的总能量G_T，当释放的总能量G_T满足：

时，界面单元将不再承载，分层扩展。

α为幂因子，G_IC，G_IIC和G_IIIC分别为I、II和III型断裂韧性；G_I、G_II和G_III分别为损伤过程中分层前缘释放的I型、II型和III型能量，损伤过程释放的总能量G_T＝G_I+G_II+G_III。

本发明的有益效果，本发明在复合材料连杆强度分析过程中，采用双线性模型对三种类型载荷进行分析，通过二次标称应力准则来判断损伤的产生，通过幂指数准则判断损伤的扩展，实现对复合材料下连杆的强度分析，分析结果准确。

附图说明

图1为双线性模型的软化响应示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的复合材料连杆的强度分析方法，包括：

S1、采用双线性模型来模拟复合材料，双线性模型，是TS法则中应用的最简单的，也是最广泛的模型。图1中1点受到线弹性范围内的拉伸载荷作用，初始刚度K(罚刚度)使界面层单元的上下表面连接在一起；点2为损伤产生的临界点，此时I型载荷下界面法向应力达到层间拉伸强度；随着界面层上下表面相对位移的增加，界面层处发生累积损伤，点3应力超过屈服点进入软化区，刚度随着相对位移的增加逐渐衰减，0-2-3三角形的面积代表3点处释放的能量；在4点处，能量释放率达到临界值。当界面层上下表面的相对位移大于4点值时，界面将不能够承载拉伸或剪切载荷，损伤发生扩展，如5点所示。也就是说，在4点处，界面的断裂能将全部被耗费。当采用此软化模型模拟分层扩展时，分层前缘对应于4点处，也即分层前缘的承载力为零。

图1阐述的软化响应可以用于表示界面层受到的拉伸和剪切作用，不能够用于表示界面层受到压缩载荷作用。通常认为压缩载荷不能够导致分层扩展，因此，通常忽略界面层受到的压缩载荷。

1.当δ<δ⁰时，为I型载荷，线弹性界面层本构方程为：

τ＝Kδ

2.当δ⁰≤δ<δ^max时，为II型载荷，界面层的本构方程可表述为：

τ＝(1-d)Kδ

其中，0≤d≤1，d表示界面处的损伤累积系数，当d＝0时，表示还没有发生损伤；当d＝1时表示界面层已完全破坏；

3.δ≥δ^max时，为III型载荷，罚刚度K退化至零，粘结区域完全破坏，局部区域失去承载能力。

该本构模型表征了界面牵引力与界面相对分开位移间的力学关系。随着界面层上下表面相对位移的增加，界面单元的牵引力达到最大值后衰减至零。对于单独的I型、II型或III型载荷，当界面法向或剪切方向应力分别达到层间拉伸或剪切强度时，界面层(粘接区)的刚度开始衰减，损伤产生；当界面层应变能释放率累积值达到临界I型、II型或III型断裂韧性时，界面层刚度衰减为零，损伤开始扩展。在I型载荷作用下，当应力分量达到层间拉伸强度时，分层前缘损伤开始。但是在实际工程应用中，复合材料结构中的分层扩展总是受到混合形式载荷的作用，任一单独型载荷分量达到其许用值前，分层已经发生破坏。因此，必须设定可应用于混合型载荷形式下的分层损伤产生准则和分层损伤扩展准则。

S2、在双线性模型中，若界面单元各应力分量满足

时，确定分层损伤产生，其中δ_z表示传递到界面层处的法向拉伸应力；τ_xz和τ_yz分别表示xz面和yz剪切应力；T和S分别表示标称法向拉伸强度和标称剪切强度；

S3、获取损伤过程释放的总能量G_T，当释放的总能量G_T满足：

时，界面单元将不再承载，分层扩展。

α为幂因子，常取值为2；G_IC，G_IIC和G_IIIC分别为I、II和III型断裂韧性，可由实验测得；G_I、G_II和G_III分别为损伤过程中分层前缘释放的I型、II型和III型能量，通常来讲，G_IIC等于G_IIIC，G_II等于G_III。损伤过程释放的总能量G_T＝G_I+G_II+G_III。

分层损伤扩展的研究主要是采用断裂力学的方法，以能量释放率准则为依据，通过计算应变能释放率来模拟自相似分层扩展。当位移达到某一临界值时，界面单元刚度开始衰减。当刚度衰减至零时，界面单元失效，无法再承受载荷，宏观上表现为分层损伤扩展的现象。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种复合材料连杆的强度分析方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、采用双线性模型来模拟复合材料，用来表征三种载荷下界面单元各应力与界面相对分开位移间的力学关系，三种载荷包括I型载荷、II型载荷和III型载荷；其中拉伸应力δ<δ⁰时为I型载荷，当δ⁰≤δ<δ^max时表示II型载荷，当拉伸应力δ≥δ^maxx时表示III型载荷；δ⁰表示复合材料开始产生损伤的拉伸应力，δ^max表示复合材料的最大承受应力；

S2、在双线性模型中，若界面单元各应力分量满足时，确定分层损伤产生，其中δ_z表示传递到界面层处的法向拉伸应力；和分别表示xz面和yz剪切应力；T和S分别表示标称法向拉伸强度和标称剪切强度；

S3、获取损伤过程释放的总能量G_T，当释放的总能量G_T满足：

时，界面单元将不再承载，分层扩展；

α为幂因子，G_IC，G_IIC和G_IIIC分别为I、II和III型断裂韧性；G_I、G_II和G_III分别为损伤过程中分层前缘释放的I型、II型和III型能量，损伤过程释放的总能量G_T＝G_I+G_II+G_III。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料连杆的强度分析方法，其特征在于，所述S1中，I型载荷的复合材料的线弹性界面层本构方程为：τ＝Kδ

其中，τ表示强度，K表示罚刚度；

II型载荷的复合材料的界面层的本构方程为：

τ＝(1-d)Kδ

其中，0≤d≤1，d表示界面处的损伤累积系数，当d＝0时，表示还没有发生损伤；当d＝1时表示界面层已完全破坏；

III型载荷的罚刚度K退化至零，粘结区域完全破坏，局部区域失去承载能力。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料连杆的强度分析方法，其特征在于，所述S2中，对于I型、II型或III型载荷，当界面法向或剪切方向应力分别达到层间拉伸或剪切强度时，界面层的刚度开始衰减，损伤产生；当界面层应变能释放率累积值达到临界I型、II型或III型断裂韧性时，界面层刚度衰减为零，损伤开始扩展。

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