[發明專利]低速沖擊下復合材料層合板漸進失效的多尺度預測方法

有效

• 申請號: 201810207476.0
• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108804735B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 廖斌斌;鄭津洋;王棟亮;顧超華;洪偉榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14;G06F113/26
• 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.低速沖擊下復合材料層合板漸進失效的多尺度預測方法，其特征在于，包括下述過程：

過程一、建立含沖錘、復合材料層合板以及支撐板的低速沖擊有限元模型；

過程二、基于微觀力學建立復合材料多尺度預測方法；

過程三、基于多尺度方法求解低速沖擊載荷下復合材料層合板應力、應變和損傷；

過程四、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：基于通用的有限元軟件ABAQUS建立沖錘、復合材料層合板、支撐板部件；分別設置材料屬性和劃分網格，再用ABAQUS自帶的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四個步驟：

步驟(1)：建立微觀應力和宏觀應力的對應關系，求取應力放大系數分量

(a)微觀應力和宏觀應力的對應關系；

其中，M_σ為應力放大系數，M_ij(i，j＝1，2，3，4，5，6)為應力放大系數的分量，σ為微觀應力，為宏觀應力；σ_i(i＝1，2，3)為三個正方向的微觀應力，σ_i(i＝12，23，13)為三個剪切方向的微觀應力；為三個正方向的宏觀應力，為三個剪切方向的宏觀應力；

(b)獲取應力放大系數分量；

建立正六面體的復合材料微觀胞元，其尺寸為針對三個正方向(1，2，3)和三個剪切方向(4，5，6)六種加載情況，分別對胞元施加單位應力載荷，得到微觀胞元的應力分布；其中微觀胞元每點的應力分布即為該點的應力放大系數；為了簡化，分別從微觀胞元的纖維和基體上選取若干點，計算出纖維和基體的應力放大系數并且存儲在參數文件中；

步驟(2)：建立基于微觀力學的纖維和基體失效判據

(c)針對纖維組分，損傷初始判據為：

-C_f＜σ_f＜T_f；

其中，T_f和C_f為纖維拉伸強度和纖維壓縮強度，σ_f為縱向方向的纖維微觀應力；

(d)針對基體組分，損傷初始判據為：

其中，T_m和C_m分別為基體拉伸和壓縮強度，σ_i(i＝1，2，3，12，23，13)為六個微觀應力分量，I_l和σ_vm分別為第一微觀應力不變量和微觀Mises應力；和分別為臨界第一微觀應力不變量和臨界微觀Mises應力；

步驟(3)：建立微觀復合材料損傷演化準則

(e)微觀纖維損傷演化準則

當纖維達到初始失效判據時，將微觀纖維損傷變量D_f設為0.9，微觀纖維本構關系如下：

其中，和分別為微觀含損傷的縱向和橫向纖維彈性模量；E_f1和E_f2分別為微觀不含損傷的縱向和橫向纖維彈性模量；

(f)微觀基體損傷演化準則

當基體達到初始失效判據時，基體開始出現損傷演化，損傷在基體中逐漸累積，微觀基體損傷變量定義如下：

其中，D_m為微觀基體損傷變量；基體出現損傷后，基體的彈性模量開始折減，微觀基體本構關系如下：

其中，和E_m分別為微觀含損傷和不含損傷的基體彈性模量；

步驟(4)：建立宏觀復合材料損傷演化準則，根據宏觀應力和應變的本構關系對滿足失效準則的單元應力進行應力更新

其中，和為宏觀應力和宏觀應變；C_d為含損傷剛度矩陣，為彈性剛度矩陣分量，由材料彈性模量和泊松比材料參數計算得到；d_s為宏觀剪切損傷變量；d_f和d_m為宏觀纖維損傷變量和宏觀基體損傷變量，計算如下：

其中，E₁和E₂分別為宏觀不含損傷的縱向和橫向彈性模量；V_f和V_m分別為纖維體積分數和基體體積分數；

所述過程三具體包括下述步驟：

步驟(5)：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，首先讀取微觀纖維和基體的材料信息和復合材料層合板的材料信息和鋪層信息；通過步驟(1)求取纖維和基體的應力放大因子，根據宏觀應力和微觀應力的對應關系求解當前復合材料的微觀應力；通過步驟(2)的微觀失效準則判斷微觀纖維和基體是否達到失效和出現損傷；如果出現損傷，則通過步驟(3)求取微觀損傷變量以及進行微觀纖維和基體彈性模量的折減，再通過步驟(4)求解宏觀纖維和基體的損傷變量并存儲為SDV狀態變量，更新應力應變后再進入下一個增量步；如果沒有出現損傷，則直接更新應力應變后進入下一個增量步；

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顯示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層合板漸進失效特性的預測。