CN113297772B - 一种使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法 - Google Patents

一种使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法，本发明涉及复合材料有限元模拟领域与无损检测领域，所述方法包括：对铺层复合材料进行检测，利用其周期性，确定其具有代表性体积单元、建立碳纤维增强树脂基复合材料模型、创建耦合与边界条件、输出应力分布结果、标定复合材料声弹性应力系数、使用超声波扫描显微镜检测复合材料，计算拉伸试样残余应力、验证模拟结果。本发明操作简单，可重复性强，对各向铺层复合材料情况均试用，能精确地、全面地反映铺层复合材料在载荷情况下的力学响应并可通过实验对模拟结果加以验证，为复合材料的质量评估提供了有力的支撑。

Description

一种使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法
技术领域
本发明涉及复合材料模拟技术领域与无损检测领域，尤其涉及一种使用Abaqus有限元分析软件模拟复合材料应力分布的模拟方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有材质轻、性能强、耐热耐腐蚀等优点，符合航空航天飞行器的性能要求，近年来在航空航天领域有着广泛的应用。由于复合材料构件的制造、加工通常处于高温高压环境，发生一系列复杂的物理和化学变化，使构件内部不可避免会形成一定的残余应力。另外，在复合材料的使用过程中，也会由于各种载荷的存在，产生一定的应力。当复合材料的残余应力或局部应力过大时，复合材料部件的失效会直接影响飞机的安全性。但由于复合材料内部组织具有各向异性，制造工艺及其复合方法的特殊性，如何确定行之有效、可操作性强的模拟方法，模拟复合材料在服役过程中应力状况，评定复合材料的内部质量成为人们较为关心的问题。
有限元方法(Finite Element Method)是现代数学化科技中的一种重要的基础性原理，是求取复杂的微分方程近似解的一种行之有效的工具。其基本思想是离散化，即将客观存在的物质离散成有限个具有简单形状的单元，然后在任意两个集合体之间均由节点连接起来，然后从整体效果来看还是一个完整的物质。ABAQUS是一个功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学与结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。
为了更好的研究复合材料的力学性能，通过有限元软件模拟复合材料构件在使用过程中内部的应力分布状态以及使用实验来验证模拟结果的可靠性是目前科学研究和工程应用中都亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是使用有限元分析软件ABAQUS建立碳纤维增强树脂基复合材料的模型并模拟材料在单向轴拉应力条件下的应力分布，从而实现对服役的复合材料内部应力的预测，保证复合材料的稳定性；并通过超声波应力检测实验对数值仿真模拟结果加以验证，判断模拟得出材料应力分布的可靠性。
为实现以上目的，本发明提供了一种使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、使用超声扫描显微镜对铺层复合材料进行检测，使用C-Scan模式对复合材料进行扫描，利用复合材料铺层的周期性，确定其铺层方式；使用B-Scan模式对复合材料进行扫描，检测其均匀性；
二、(1)根据所制备复合材料试样的尺寸大小，在有限元分析软件ABAQUS的CAE模块中进行建模操作，完成模型的建立；(2)根据该复合材料的力学性能参数编写材料参数，创建材料；(3)根据步骤一确定的铺层方式创建复合截面，并将界面指派给部件；(4)建立静力通用分析步，根据模型选择合适的分析步增量，创建场输出并将其作用域设为复合层结合部，并为部件布种、划分网格；(5)根据拉伸实验为部件建立参考点与部件右端面的耦合，并为部件建立边界条件、时间位移载荷，对模型进行计算；(6)完成拉伸试验位移载荷的模拟后，提取模拟得到的模型的应力分布图；
三、制备复合材料拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，运行不同位移载荷的拉伸试验，确定复合材料的破坏时的拉伸应力；
四、使用超声扫描显微镜对拉伸试样进行检测，标定实验采用复合材料的声弹性应力系数，根据声弹性效应，计算其内部应力；
五、将模拟结果与真实应力检测结果进行对比，调整步骤二中材料相关参数、耦合条件以及应力提取方式，使模拟结果逐渐接近真实数据；
六、当模拟结果与真实数据接近，且保证模拟得到的应力分布大小及其分布趋势与真实试验检测相同时，表明该方法有效可行。
优选的，所述步骤二中，对于静力学分析，在为模型建立材料时选取材料行为弹性；由于复合材料具有各向异性，在弹性类型中选取工程常数,根据材料属性赋值。
优选的，所述步骤四中，根据步骤三所确定的复合材料破坏时的拉伸应力，标定声弹性应力系数实验中复合材料试样在拉伸时应不超过其破坏应力。
优选的，所述步骤四中，根据材料的声弹性理论得到残余应力计算公式：
Figure BDA0003103729860000031
计算复合材料内部的残余应力值。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明提供的模拟方法，可以模拟复合材料层合板在受单向轴拉应力条件下的应力分布，输出复合材料层的应力大小与分布，并可以通过实验计算对模拟结果进行验证；本发明操作简单，可重复性强，对各向铺层复合材料情况均试用，能精确地、全面地反映铺层复合材料在载荷情况下的力学响应并可通过实验对模拟结果加以验证，为复合材料的质量评估提供了有力的支撑。
附图说明
图1为本发明实施例提供的复合材料板C扫描图；
图2为本发明实施例提供的复合材料板B扫描图；
图3为本发明实施例提供的软件模拟复合材料板模型铺层图；
图4为本发明实施例提供的软件模拟复合材料板模型受力与耦合状态图；
图5为本发明实施例提供的软件模拟复合材料板模型应力分布包络图；
图6为本发明实施例提供的软件模拟复合材料板模型不同铺层应力分布图；
图7为本发明实施例提供的实验所用碳纤维增强树脂基材料；
图8为本发明实施例提供的实验所得复合材料不同位置A扫波形图；
图9为本发明实施例提供的软件模拟与真实实验数据比较图。
具体实施方式
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。
实施例一
1.使用超声扫描显微镜对铺层复合材料进行检测，使用C-Scan模式对复合材料进行扫描，利用复合材料铺层的周期性，确定其铺层方式；使用B-Scan模式对复合材料进行扫描，检测其均匀性。
2.(1)根据所制备复合材料试样的尺寸大小，采用mm单位制在有限元分析软件ABAQUS的CAE模块中进行建模操作，完成模型的建立；(2)根据该复合材料的力学性能参数编写材料参数，材料参数选择工程常数Engineering Constant，输入弹性模量E1、E2＝E3，泊松比Nu12＝Nu13、Nu23，剪切模量G12＝G13、G23，创建材料，完成材料属性的赋予；(3)根据步骤一确定的铺层方式创建复合截面，输入各层的铺层角度以及每层的铺层数，并将界面指派给部件；(4)建立静力通用分析步与场输出，分析步时间长度默认为1，对于复杂的非线性分析，设置最大增量步数、初始增量步大小、最小增量步大小、最大增量步大小；将新的场输出作用域设为复合层结合部，并为部件布种、划分网格，定义网格扫掠方向为模型厚度方向，即与Z轴方向相同，将网格类型设为SC8R；(5)根据拉伸实验为部件建立参考点与部件右端面的耦合，根据实验情况并为模型部件建立左端面自由，右端面与参考点耦合的边界条件，根据实验条件对已经耦合的参考点施加位移载荷，即在直角坐标系X轴方向产生位移，U1方向输入位移量对模型进行计算；(6)完成拉伸试验位移载荷的模拟后，提取模拟得到的模型的应力分布图。
三、制备复合材料拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，将试样两端加持，采用0.2mm/min的位移速度对试样施加载荷，确定复合材料的破坏时的拉伸应力。
四、使用超声扫描显微镜对拉伸试样进行检测，标定实验采用复合材料的声弹性应力系数，使用超声扫描显微镜A-Scan扫描模式获得复合材料试样的A扫波形图。根据公式σ＝E*ε计算其平均应力，再根据下方公式与拉伸前后的声时差得到声弹性应力系数K。
Figure BDA0003103729860000051
(其中，σ表示应力，K表示声弹性应力系数，v表示有残余应力时试样中的超声波声速，v0表示零应力时试样中的超声波声速，k表示声弹性系数，t与t0分别为传播距离一定时，声波在无应力与有应力试样中的传播时间，dt表示时间变化量。)
借助超声波扫描显微镜A-Scan扫描方式检测复合材料拉伸后试样，获取试样不同位置处的A扫波形图，并得到不同位置处的声时差Δt，根据下方公式计算得到试样的残余应力分布。
σ＝K×Δt
五、将模拟结果与真实应力检测结果进行对比，调整步骤二中材料相关参数、耦合条件以及应力提取方式，使模拟结果逐渐接近真实数据；
六、根据实验检测位置，提取模型中不同位置处的应力大小，画出模拟结果，当模拟结果与真实数据接近，且保证模拟得到的应力分布大小及其分布趋势与真实试验检测相同时，表明该方法有效可行。
实施例二
1.使用超声扫描显微镜对铺层复合材料进行检测，使用C-Scan模式对复合材料进行扫描，利用复合材料铺层的周期性，确定其铺层方式为45°、-45°、45°的周期铺层方式，如图1所示；使用B-Scan模式对复合材料进行扫描，检测到其铺层十分均匀，B扫图中各层灰度值均匀，没有缺陷存在。
2.(1)根据所制备复材试样的尺寸大小，在有限元分析软件ABAQUS的CAE模块中建立三维拉伸实体的可变形几何模型，根据据模拟复材的尺寸要求，为模型部件添加尺寸，采用mm单位制：长100，宽50，厚2；(2)根据该复合材料的力学性能参数编写材料参数，创建材料，依次选择materialcal-Elasticity-Elastic，材料参数选择工程常数EngineeringConstant。输入E1＝143000，E2＝E3＝9300，Nu12＝Nu13＝0.31，Nu23＝0.3，G12＝G13＝4900，G23＝3580；(3)根据步骤一确定的铺层方式创建复合截面，复合材料铺层方式为45°、-45°、45°、-45°…共十层，每层三个积分点且每层厚度一致，将该复合截面指派给部件，复材模型铺层方式如图3所示；(4)建立静力通用分析步与场输出，分析步时间长度默认为1，最大增量步数设置为100000；初始增量步大小为0.001，最小增量步大小默认为1e-15，最大增量步大小为0.01；将新的场输出作用域设为复合层结合部；进入Mesh模块，为部件布种，将Approximate global size设为1并应用；网格控制选项里选择Sweep扫掠，重新定义扫掠方向，使其扫掠方向与Z轴方向相同；点击Assign Element Type分配整个部件网格类型并将其设为SC8R；(5)在距离模型右端面中点位置建立参考点，根据拉伸实验为部件建立参考点与部件右表面的运动耦合，并为部件建立边界条件，在Initial分析步以及后续Step-1分析步中将模型左端面完全固定；右端面是自由状态，与之耦合的参考点作为位移载荷的施加者，拉伸后是在直角坐标系X轴方向产生位移，即U1方向输入位移量0.5，U2、U3、UR1、UR2、UR3方向完全固定，输入值为0，模型受力情况与耦合状态如图4所示；(6)完成拉伸试验位移载荷的模拟后，得到模型不同层的应力分布图，如图5所示。
三、制备复合材料拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，将试样两端加持，采用0.2mm/min的位移速度对试样施加载荷，确定复合材料的破坏时的拉伸应力为942.02MPa，则在标定复合材料试样声弹性应力时选择最大拉伸应力为850MPa。
四、使用超声扫描显微镜对拉伸试样进行检测，标定实验采用复合材料的声弹性应力系数，使用超声扫描显微镜A-Scan扫描模式获得复合材料试样的A扫波形图，其检测位置如图7所示，各检测位置的A扫波形图如图8所示。
计算其平均应力，再根据拉伸前后的声时差得到声弹性应力系数K＝7.2MPa/ns。
借助超声波扫描显微镜A-Scan扫描方式检测复合材料拉伸后试样，获取试样不同位置处的A扫波形图，并得到不同位置处的声时差Δt，计算得到试样不同位置处的残余应力分布。
经过计算得：
(a)处的应力为375MPa；(b)处的应力为346MPa；(c)处的应力为216MPa；(d)处的应力为187MPa；(e)处的应力为115MPa；(f)处的应力为115MPa。
五、由于材料在制备及实验过程中，由于工艺以及实验条件的影响，材料参数与模型耦合条件会在一定范围内发生变化，在此基础上，适当调整相关参数和模型应力提取方式，使模拟结果应力分布逐渐接近真实数据，同时保证模型没有发生大变形，与真实实验复合材料样品情况相同，如图6所示，图中红色区域为应力集中区域，主要集中在模型四角拉伸区域的位置，从应力云图可以看出，应力沿着纤维铺层方向向中心递减，在中部位置应力达到一致。
六、根据实验检测位置，提取模型中不同位置处的应力大小，画出模拟结果，当模拟结果与真实数据接近，且保证模拟得到的应力分布趋势与真实试验检测相同时，表明该方法有效可行。从图9可以看到有限元模拟得到的复合材料其应力分布与实验计算得到的应力分布趋势相同，且应力值大小基本一致。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、使用超声扫描显微镜对铺层复合材料进行检测，使用C-Scan模式对复合材料进行扫描，利用复合材料铺层的周期性，确定其铺层方式；使用B-Scan模式对复合材料进行扫描，检测其均匀性；
二、(1)根据所制备复合材料试样的尺寸大小，在有限元分析软件ABAQUS的CAE模块中进行建模操作，完成模型的建立；(2)根据该复合材料的力学性能参数编写材料参数，创建材料；(3)根据步骤一确定的铺层方式创建复合截面，并将截面指派给部件；(4)建立静力通用分析步，根据模型选择合适的分析步增量，创建场输出并将其作用域设为复合层结合部，并为部件布种、划分网格；(5)根据拉伸实验为部件建立参考点与部件右端面的耦合，并为部件建立边界条件、时间位移载荷，对模型进行计算；(6)完成拉伸试验位移载荷的模拟后，提取模拟得到的模型的应力分布图；
三、制备复合材料拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，运行不同位移载荷的拉伸试验，确定复合材料的破坏时的拉伸应力；
四、使用超声扫描显微镜对拉伸试样进行检测，标定实验采用复合材料的声弹性应力系数，根据声弹性效应，计算其内部应力；
五、将模拟结果与真实应力检测结果进行对比，调整步骤二中材料相关参数、耦合条件以及应力提取方式，使模拟结果逐渐接近真实数据。
2.根据权利要求1所述的使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法，其特征在于，所述步骤二中，对于静力学分析，在为模型建立材料时选取材料行为弹性；由于复合材料具有各向异性，在弹性类型中选取工程常数,根据材料属性赋值。
3.根据权利要求1所述的使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法，其特征在于，所述步骤四中，根据步骤三所确定的复合材料破坏时的拉伸应力，标定声弹性应力系数实验中复合材料试样在拉伸时应不超过其破坏应力。
4.根据权利要求1所述的使用有限元软件模拟复合材料残余应力分布的方法，其特征在于，所述步骤四中，根据材料的声弹性理论得到残余应力计算公式：
Figure FDA0003519937750000021
计算复合材料内部的残余应力值；
其中，σ表示应力，K表示声弹性应力系数，v表示有残余应力时试样中的超声波声速，v0表示零应力时试样中的超声波声速，k表示声弹性系数，t与t0分别为传播距离一定时，声波在无应力与有应力试样中的传播时间，dt表示时间变化量。
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