CN115544833A - 一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，步骤包括：建立复合材料蜂窝夹芯板完好、冲击损伤、修理3个工况下的有限元几何模型。定义蒙皮、胶层和蜂窝夹芯的材料本构关系。设置蜂窝夹芯板模型3个工况下的边界条件并施加位移载荷。进行蜂窝夹芯板3个工况的Buckle分析计算屈曲载荷；提取一阶屈曲模态位移并乘以系数k，作为初始缺陷施加到后续Dynamic explicit分析中，计算各工况下的压缩强度及破坏模式。对比蜂窝夹芯板3个工况的载荷位移曲线，得到蜂窝夹芯板修理模型与完好、损伤模型强度对比结果，评估蜂窝夹芯板修理方案。本方法可与工程试验配合使用，从而降低试验成本，提高试验效率，更好地对蜂窝夹芯板的修理方案进行评估和验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，属于复合材料结构修理技术领域。
背景技术
复合材料蜂窝夹芯结构以其高比刚度、高比强度、优秀的减振性和抗疲劳性等被广泛应用于民用飞机结构中。在役的民用飞机复合材料蜂窝夹芯结构容易受到各种低速冲击载荷形成冲击损伤，给飞机带来严重安全隐患。为保障民用飞机安全运行，制订合理的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤修理方案显得尤为重要。在工程实践中，民机复合材料蜂窝夹芯板结构修理方案评估需要大量的试验，成本高而效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提出了一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，利用有限元仿真对修理方案进行评估，从而确定合适的修理方案，能够充分降低试验研究的成本、提高修理方案制定的效率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，具体步骤包括：
步骤一、建立复合材料蜂窝夹芯板完好、冲击损伤、修理3个工况下的有限元几何模型。
步骤二、定义蒙皮、胶层和蜂窝夹芯的材料本构关系。
步骤三、分别设置复合材料蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的边界条件以及施加位移载荷。
步骤四、进行复合材料蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的Buckle分析计算各工况下的屈曲载荷，提取一阶屈曲模态的位移并乘以系数k，作为初始缺陷施加到后续Dynamic explicit动力学分析中，计算蜂窝夹芯板模型3个工况下的压缩强度以及破坏模式。
步骤五、对比蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的载荷位移曲线，得到蜂窝夹芯板修理模型强度与完好、损伤模型强度对比结果，评估蜂窝夹芯板修理方案。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤一的具体实施方式如下：
有限元几何模型中蒙皮采用连续壳SC8R单元，蒙皮为复合材料，蜂窝夹芯采用实体单元C3D8R，胶层采用粘聚力界面元COH3D8，冲击锤头采用实体单元C3D8R。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤二的具体实施方式如下：
(1)蒙皮复合材料铺层采用二维Hashin准则渐进损伤分析方法分析材料失效，并采用基于断裂能的刚度退化方式分析失效演化过程；胶层采用粘聚区模型和Quads准则进行失效分析，并采用基于能量的Benzeggagh—Kenane准则分析失效演化过程；蜂窝夹芯采用T.Besant提出的蜂窝芯子在压剪耦合受力情况下的失效准则，当蜂窝夹芯出现损伤时，不管承载如何，材料整体弹性常数等性能退化，折减系数为λ。
(2)蒙皮失效等效应力和等效应变计算方式如下：
式中
为本构模型中应力等于0时(即彻底失效时)的等效位移，GC为断裂能。等效位移
由有限元模型中单元的特征长度LC评估得来，而一阶面单元的特征长度是面积的平方根，一阶体单元的特征长度是体积的立方根。
(3)蜂窝夹芯初始失效以及失效演化计算方式如下：
式中σ33，σ13，σ23分别为在厚度T方向的正应力，SL、WT方向上的剪切应力(L、T、W三个方向分别代表蜂窝的条带方向，芯格延伸方向，以及垂直于条带方向)；XTT，SLT，SWT为蜂窝芯子在对应方向上的压缩强度和剪切强度。本方法中指数n的取值为2。当蜂窝芯子受到压缩-剪切复合载荷作用时，若Fcore≥1时，即判断蜂窝夹芯出现损伤。
当蜂窝夹芯出现损伤后，不管承载如何，材料整体弹性常数等性能退化，折减系数为λ，λ的取值为0.01。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤四的具体实施方式如下：
初始缺陷的系数k取蜂窝夹芯板厚度的千分之一。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所提出的复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理结构强度评估方法可通过有限元方法分析复合材料蜂窝夹芯板修理结构的压缩强度以及破坏模式，进而对蜂窝夹芯板修理方案进行评估，验证修理方案。本方法无需进行大量的工程试验，通过一台高性能计算机即可实现。本方法可与工程试验配合使用，从而降低试验成本，提高试验效率，更好地对蜂窝夹芯板结构的修理方案进行评估和验证。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图；
图2是本发明中蒙皮的双线性损伤演化模型示意图；
图3是本发明中蜂窝夹芯板完好、冲击损伤、修理结构的位移-载荷曲线图；
图4是本发明中蜂窝夹芯板冲击后压缩的损伤模式示意图；
图5是本发明中蜂窝夹芯板的修理结构压缩的损伤模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
如图1所示，本发明提出的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，包括以下步骤：
步骤一、建立复合材料蜂窝夹芯板完好、冲击损伤、修理3个工况下的有限元几何模型。其中蒙皮采用连续壳SC8R单元；蜂窝夹芯采用实体单元C3D8R；胶层采用粘聚力界面元COH3D8；冲击锤头采用实体单元C3D8R。
步骤二、定义蒙皮、胶层和蜂窝夹芯的材料本构关系。本构关系，即应力张量与应变张量的关系。蒙皮为复合材料，采用二维Hashin准则渐进损伤分析方法分析其材料失效，并采用基于断裂能的刚度退化方式分析其失效演化过程；对于材料某个特定的损伤状态，纤维拉伸损伤、纤维压缩损伤、基体拉伸损伤和基体压缩损伤四个独立损伤状态变量的求解方式如下：
式中，δeq为某种失效模式下对应的等效位移；
为某种损伤开始时(即某种失效判据等于1时)的等效位移。
此方法采用如图2所示的应力-(等效)位移关系来描述损伤演化规律。需要强调的是，该损伤起始位移并非一个恒定不变的材料常数，而是随着材料点的应力状态而变化的，不同的单元有可能得到不同的损伤起始位移值；
为本构模型中应力等于0时(即彻底失效时)的等效位移，
可由以下表达式计算：
等效位移
由有限元模型中单元的特征长度LC评估得来，如表达式(3)所示，而一阶面单元的特征长度是面积的平方根，一阶体单元的特征长度是体积的立方根。在材料不同失效模式下，等效位移和等效应力的表达式也是有所不同的。
胶层采用粘聚区模型和Quads准则进行失效分析，并采用基于能量的Benzeggagh—Kenane准则分析失效演化过程。
蜂窝夹芯采用T.Besant提出的蜂窝芯子在压剪耦合受力情况下的失效准则，编写VUSDFLD子程序，蜂窝夹芯初始失效以及失效演化计算方式如下：
式中σ33，σ13，σ23分别为在厚度T方向的正应力，SL、WT方向上的剪切应力，L、T、W三个方向分别代表蜂窝的条带方向，芯格延伸方向，以及垂直于条带方向；XTT，SLT，SWT为蜂窝芯子在对应方向上的压缩强度和剪切强度。本方法中指数n的取值为2。当蜂窝芯子受到压缩-剪切复合载荷作用时，若Fcore≥1时，即判断蜂窝夹芯出现损伤，不管承载如何，材料整体弹性常数等性能退化，折减系数为λ，λ的取值为0.01。
步骤三、分别设置复合材料蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的边界条件以及施加位移载荷。蜂窝夹芯板一端为Encastre约束，另一端与参考点建立Coupling约束，仅保留沿蜂窝夹芯板纵向的自由度。
步骤四、进行复合材料蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的Buckle分析计算各工况下的屈曲载荷，提取一阶屈曲模态的位移并乘以系数k(k取蜂窝夹芯板厚度的千分之一)，作为初始缺陷施加到后续Dynamic explicit分析中，计算蜂窝夹芯板模型3个工况下的压缩强度以及破坏模式。
步骤五、对比蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的载荷位移曲线，得到蜂窝夹芯板修理模型强度与完好、损伤模型强度对比结果，评估蜂窝夹芯板修理方案。
以下举一个具体实施例来说明本发明的蜂窝夹芯板修理方案评估方法：
复合材料蜂窝夹芯板尺寸为380mm×150mm，其中蒙皮厚度1mm(铺层方向为[45°/-45°/0°/90°/90°/0°/-45°/45°])，蜂窝夹芯厚度15mm，同时进行试验以及基于本方法的修理方案评估，如图3～图5所示，蜂窝夹芯板修理结构压缩强度可以恢复到完好结构的97.7％，相比冲击损伤结构压缩强度提高了50.4％；且此方法3种工况下结果与试验结果误差均在10％以内，符合工程要求。
综上所述，本发明提出了一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，本方法无需进行大量的工程试验，通过一台高性能计算机即可实现。本方法可与工程试验配合使用，从而降低试验成本，提高试验效率，更好地对蜂窝夹芯板结构的修理方案进行评估和验证。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、建立复合材料蜂窝夹芯板完好、冲击损伤、修理3个工况下的有限元几何模型；
步骤二、定义蒙皮、胶层和蜂窝夹芯的材料本构关系；
步骤三、分别设置复合材料蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的边界条件以及施加位移载荷；
步骤四、进行复合材料蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的Buckle分析计算各工况下的屈曲载荷；提取屈曲载荷中一阶屈曲模态的位移，并乘以系数k，作为初始缺陷施加到Dynamic explicit动力学显式分析中，计算蜂窝夹芯板模型3个工况下的压缩强度以及破坏模式；
步骤五、对比蜂窝夹芯板模型完好、冲击损伤、修理3个工况下的载荷位移曲线，得到蜂窝夹芯板修理模型强度与完好、损伤模型强度对比结果，评估蜂窝夹芯板修理方案。
2.如权利要求1所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤一中有限元几何模型包含蒙皮、蜂窝夹芯层、胶层和冲击锤头，采用冲击锤头对蜂窝夹芯板进行冲击；
其中蒙皮为复合材料，蒙皮采用连续壳SC8R单元，蜂窝夹芯采用实体单元C3D8R，胶层采用粘聚力界面元COH3D8，冲击锤头采用实体单元C3D8R。
3.如权利要求2所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤二中蒙皮采用二维Hashin准则渐进损伤分析方法进行失效分析，并采用基于断裂能的刚度退化方式分析失效演化过程；胶层采用粘聚区模型和Quads准则进行失效分析，并采用基于能量的Benzeggagh—Kenane准则分析失效演化过程；蜂窝夹芯层采用蜂窝芯子在压剪耦合受力情况下的失效准则，当蜂窝夹芯出现损伤时折减系数为λ。
4.如权利要求3所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤二的蒙皮失效等效应力和等效应变计算方式如下：
式中
为本构模型中应力等于0时的等效位移，GC为断裂能；等效位移
通过考虑有限元单元的特征长度LC评估，一阶面单元中特征长度是面积的平方根，一阶体单元中特征长度是体积的立方根。
5.如权利要求4所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤二中的蜂窝夹芯初始失效以及失效演化计算方式如下：
式中σ33，σ13，σ23分别为厚度T方向的正应力，SL、WT方向上的剪切应力，L、T、W分别代表蜂窝的条带方向，芯格延伸方向，以及垂直于条带方向；XTT，SLT，SWT为蜂窝芯子在对应方向上的压缩强度和剪切强度。
6.如权利要求5所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤二中，指数n的取值为2，若Fcore≥1时，即判断蜂窝夹芯出现损伤。
7.如权利要求6所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤二中，蜂窝夹芯出现损伤后，折减系数为λ的取值为0.01。
8.如权利要求7所述的一种复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤修理方案评估方法，其特征在于，所述步骤四中的系数k取蜂窝夹芯板厚度的千分之一。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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