[發明專利]預測低速沖擊下復合材料多層厚板漸進失效的有限元方法

有效

• 申請號: 201710011727.3
• 申請日: 2017-01-08
• 公開（公告）號: CN106777769B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 鄭津洋;廖斌斌;顧超華
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司33212
• 代理人: 周世駿

1.預測低速沖擊下復合材料多層厚板漸進失效的有限元方法，其特征在于，包括下述過程：

一、建立含沖錘、復合材料多層厚板以及支撐板的低速沖擊有限元模型；

二、建立復合材料多層厚板多尺度模型；

三、利用FORTRAN語言編寫的ABAQUS-VUMAT即ABAQUS用戶動態材料子程序模塊，基于多尺度模型求解低速沖擊載荷下應力、應變和損傷；

四、對低速沖擊進行計算，進一步獲得沖擊力、位移、速度和加速度；

所述過程一中，包括基于ABAQUS建立沖錘、復合材料多層厚板、支撐板部件；分別設置材料屬性和劃分網格，其中復合材料多層厚板在厚度方向網格根據自身確定的子層壓板的個數劃分相應的網格，不需要建立所有單層網格，不同子層壓板之間設置ABAQUS自帶的雙線性內聚力單元；再用ABAQUS-ASSEMBLY模塊對其組裝之后設置分析步和通用接觸屬性；

所述過程二具體包括下述步驟：

步驟(1)：基于三維等效理論，建立子層壓板的三維等效剛度和應力-應變本構關系：

(a)子層壓板的三維等效剛度及其各個分量為：

[C‾ij*]=C‾11*C‾12*C‾13*00C‾16*C‾22*C‾23*00C‾26*C‾33*00C‾36*C‾44*C‾45*0symC‾55*0C‾66*;]]>

C‾ij*=Σk=1nVk[C‾ijk-C‾i3kC‾3jkC‾33k+C‾i3kΣl=1nVlC‾3jlC‾33lC‾33kΣl=1nVlC‾33l],(i,j=1,2,3,6);C‾ij*=C‾ji*=0,(i=1,2,3,6;j=4,5);C‾ij*=Σk=1nVkΔkC‾ijkΣk=1nΣlnVkVlΔkΔl(C‾44kC‾55l-C‾45kC‾54l),(i,j=4,5);Δk=C‾44kC‾55k-C‾45kC‾54k;]]>

其中，為子層壓板在整體坐標系下的等效剛度矩陣，

為子層壓板在整體坐標系下等效剛度矩陣分量，k為子層壓板的第k個單層，l為子層壓板的第l個單層，n為子層壓板的單層總數，V^k為第k個單層厚度占整個子層壓板的厚度百分比，V^l為第l個單層厚度占整個子層壓板的厚度百分比，為第k個單層在整體坐標系下的剛度矩陣分量，為第l個單層在整體坐標系下的剛度矩陣分量；

(b)子層壓板的應力應變本構關系：

其中，為子層壓板在整體坐標系下的等效應力，為子層壓板在整體坐標系的等效應變；

步驟(2)：子層壓板應力應變分解為子層壓板內各個單層的應力應變：

ϵ‾ik=ϵ‾i*,(i=1,2,6;k=1,2,...,n)ϵ‾3kϵ‾4kϵ‾5k=C‾33kC‾34kC‾35kC‾43kC‾44kC‾45kC‾53kC‾54kC‾55k-1[σ‾3kσ‾4kσ‾5k-C‾31kC‾32kC‾36kC‾41kC‾42kC‾46kC‾51kC‾52kC‾56kϵ‾1kϵ‾2kϵ‾6k],(k=1,2,...,n)σ‾ik=σ‾i*,(i=3,4,5;k=1,2,...,n)ϵ‾1kϵ‾2kϵ‾6k=C‾11kC‾12kC‾13kC‾14kC‾15kC‾16kC‾21kC‾22kC‾23kC‾24kC‾25kC‾26kC‾61kC‾62kC‾63kC‾64kC‾65kC‾66kϵ‾1kϵ‾2kϵ‾3kϵ‾4kϵ‾5kϵ‾6k,(k=1,2,...,n);]]>

其中，

為子層壓板中第k個單層在整體坐標系下的應變分量，為子層壓板在整體坐標系的應變分量，為子層壓板中第k個單層在整體坐標系下的應力分量，為子層壓板在整體坐標系的應力分量，為第k個單層在整體坐標系下的剛度矩陣分量；

步驟(3)：建立基于應變描述的PUCK失效初始判據和損傷演化準則，具體建立方式為：

(c)對于纖維拉伸和壓縮，損傷初始判據為：

F11T*=(ϵ11ϵ0,1T*)2-1≥0,F11C=(ϵ11ϵ0,1C)2-1≥0;]]>

其中，和分別為纖維拉伸和壓縮的初始失效應變；所述T*,C分別指拉伸和壓縮；所述ε₁₁是指纖維方向應變；所述分別指纖維拉伸和壓縮失效判斷因子；

纖維拉伸和壓縮的損傷演化準則為：

d11T*(C)=ϵf,1T*(C)ϵf,1T*(C)-ϵ0,1T*(C)(1-ϵ0,1T*(C)ϵ11);]]>

其中，所述是指纖維拉伸和壓縮損傷變量；所述ε₁₁是指纖維方向應變；所述是指纖維損傷變量達到1的纖維臨界拉伸和壓縮失效應變；所述是指纖維損傷變量為零的纖維初始拉伸和壓縮失效應變；

(d)對于基體拉伸損傷失效初始判據為：

F22T*=(ϵ22ϵ0,2T*)2-1≥0;]]>

其中，所述指基體拉伸失效判斷因子；所述ε₂₂是指基體方向應變；所述是指基體損傷變量為零的基體初始拉伸失效應變；

基體拉伸損傷演化準則為：

d22T*=ϵf,2T*ϵf,2T*-ϵ0,2T*(1-ϵ0,2T*ϵ22);]]>

其中，為基體損傷變量達到1時基體臨界拉伸失效應變；所述是指基體拉伸損傷變量；

(e)對于基體壓縮損傷初始判據為：

其中，N是關于失效斷裂面的法向方向，T和L是關于失效斷裂面的切向方向；Y^C是橫向壓縮強度，斷裂平面上的應力σ_ij(i,j＝L,T,N)由笛卡氏坐標系下的Piola-Kirchhoff應力σ_ij(i,j＝1,2,3)通過旋轉矩陣T(α)旋轉獲得，T(α)為笛卡爾坐標系到斷裂面坐標系的旋轉矩陣，是斷裂面上的橫向剪切強度；所述σ_NN是指斷裂面的法向應力；σ_NT,σ_NL是指斷裂面的切向應力，μ_NL,μ_TN為斷裂面面內兩個切向方向摩擦系數，θ_f為斷裂面的斷裂角；所述指基體壓縮失效判斷因子；所述σ12是指笛卡爾坐標系下面內剪切強度；所述是指在斷裂平面內的橫向剪切強度；所述σ₁₂₃是指在笛卡爾坐標系下的六個Piola-Kirchhoff應力σ_ij(i,j＝1,2,3)；所述σ_LTN是指在斷裂面坐標系下的六個Piola-Kirchhoff應力σ_ij(i,j＝L,T,N)；所述T(α)^T是指T(α)的轉置矩陣；所述90°是指采用角度制計量的90度；

基體壓縮損傷演化準則為：

d22C(γNT,γNL)=γγmaxγγmax-γγf(1-γfγγ),γγ=γNT2+γNL2.;]]>

其中，所述γ_γ是指斷裂面聯合剪切應變；和是聯合剪切應變的初始和最大應變，γ_NT和γ_NL是斷裂面的剪切應變；是指基體壓縮損傷變量；

所述過程三具體包括下述步驟：

步驟(4)：通過ABAQUS用戶子程序VUMAT實現上述過程，ABAQUS-VUMAT是由應變驅動，隨著載荷增加，首先讀取各單層的材料信息和鋪層信息的參數代碼文件，計算各子層壓板內各個單層在局部材料坐標系下的剛度矩陣，再轉換到整體坐標系下的單層剛度矩陣；

步驟(5)：再通過步驟(1)求取各子層壓板的三維等效剛度和子層壓板的應力應變；將子層壓板的應力應變通過步驟(2)分解為子層壓板內各個單層應力應變，并轉換為局部材料坐標系下的單層應力應變；再根據步驟(3)判斷每個單層是否出現損傷以及求取損傷變量；如果沒有出現損傷，則更新應力應變后進入下一個增量步；如果出現損傷，則返回到步驟(4)通過損傷變量更新每個單層在整體坐標系下的剛度矩陣，再通過步驟(1)求取折減后的子層壓板的三維等效剛度，計算子層壓板三維等效剛度折減系數，并存儲為SDV狀態變量，更新應力應變后再進入下一個增量步；

所述過程四具體為：將過程一建立的模型主文件和過程三建立的ABAQUS-VUMAT用戶子程序聯合，使用ABAQUS/EXPLICT方法對低速沖擊進行計算，進一步獲得沖擊力、位移、速度和加速度；即完成低速沖擊載荷下復合材料多層厚板漸進失效特性的預測。