[發明專利]一種考慮BVID沖擊損傷影響的復合材料開口分析方法

有效

• 申請號: 201811545595.3
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109697312B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 黃文超;賈大煒;柴寶;劉磊;鄭雙;張修路
• 申請（專利權）人: 中航沈飛民用飛機有限責任公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F30/17;G06F113/26
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 鄭賢明

1.一種考慮BVID沖擊損傷影響的復合材料開口分析方法，其特征在于：

1)通過沖擊損傷后結構的剩余強度得到最危險的損傷距離，確定引入的BVID到復合材料大開口結構孔邊的危險距離；

1.1)確定復合材料包含BVID所需沖擊能量，設計壓痕深度調查試驗，確定不同厚度和不同鋪層順序的層壓板產生回彈前的BVID的凹痕時所需要的沖擊能量；

1.2)層壓板沖擊調查試驗矩陣每組試驗，同一個沖擊能量做N個試件，要求引入的損傷尺寸，保證得到復合材料開口強度的門檻值；

1.3)試驗結束后提供沖擊能量-凹坑深度曲線，將沖擊損傷的引入按照ASTM?D?7136-2007的要求實施；

1.4)在BVID沖擊能量確定后，繼續確定引入的沖擊損傷位置到復合材料大開口結構孔邊的危險距離，用此危險距離的BVID損傷來定義復合材料開口設計許用值；

1.5)復合材料層合板沖擊后剩余強度與損傷到開口邊界的距離是函數關系，通過沖擊后壓縮試驗比較損傷位置在孔邊與接近孔邊的復合材料層合板剩余強度，確定導致復合材料大開口層合板剩余強度最小所對應的距離；

1.6)引入凹坑深度BVID損傷，通過無損檢測確定產生的內部分層直徑D，并布置在距離試驗件邊界不同長度范圍內；BVID損傷為沖擊后立即測量的凹坑深度，不考慮回彈影響，沖擊能量和沖擊頭直徑大小由層壓板沖擊調查試驗結果進行分析得出；

2)確定復合材料開口設計許用值的計算公式及修正系數計算公式；

2.1)確定復合材料開口設計許用值的計算公式及修正系數計算公式，復合材料開口結構設計許用值通過公式1進行計算：

ε_LCO＝ε_{LCO_baseline}×K_R×K_{UD_t}×K_{B_basis}×K_Env???????????(1)

其中：

ε_LCO：復合材料開口結構設計許用值；

ε_{LCO_baseline}：孔變基準應變值；

K_R：開口半徑修正系數；

K_{UD_t}：為開口孔邊切線方向單向帶厚度百分比修正系數；

K_{B_basis}：B基準值修正系數；

K_Env：環境修正系數；

2.2)影響系數：

2.2.1)孔變基準應變值ε_{LCO_baseline}

ε_{LCO_baseline}表示孔變基準應變值，基于復合材料積木式試驗試樣級別中的沖擊后拉伸和沖擊后壓縮設計許用值通過公式2得到：

拉伸載荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×TAI

壓縮載荷：ε_{LCO_baseline}＝1.25×CAI??????????????(2)

2.2.2)開口半徑修正系數K_R

開口半徑修正系數K_R可以通過公式3得到：

其中：

A和n為通過試驗數據確定的參數變量；

R為開口或曲率半徑；

2.2.3)為開口孔邊切線方向單向帶厚度百分比修正系數K_{UD_t}

增加孔邊切向纖維厚度百分比會提高復合材料層合板的沖擊后剩余強度，考慮這個影響，引入參數UD_t，UD_t表示孔邊切向纖維厚度占層合板總厚度的百分比，計算方法如公式4：

其中：

t_tape表示孔邊切向纖維厚度；

t_laminate表示層合板厚度；

在計算t_tape時需要考慮孔邊分析位置切線正負5°范圍內的纖維，通過公式5計算切線纖維厚度百分比修正系數：

其中：

B：試驗數據曲線擬合得到的常數；

α：UD_t的最大值；

2.2.4)B基準值修正系數K_{B_basis}

以B基準結果和試驗數據歸一化的平均值的比值作為B基準值修正系數，參考公式6計算：

(σ_B-basis)_i/RTD＝K_{B_basis}·(σ_Average)_i/RTD

式中：

(σ_Average)_i/RTD：室溫干態的第i組試驗數據的平均值；

K_{B_basis}:B基準值修正系數；

(σ_B-basis)_Baseline/RTD:室溫干態條件下基線試驗數據的B基準值；

(σ_Average)_Baseline/RTD:室溫干態條件下基線試驗數據的平均值；

2.2.5)環境修正系數K_Env

對于任意非基準值環境條件，環境修正系數定義為在相同的試驗構型下平均失效應變在兩種條件下的比值，環境修正系數的具體計算方法如下：

a)識別所有的試驗構型，哪些是在基準值環境下的，哪些是在非基準值環境下的，用1,...m區別；

b)對于每個構型，通過公式7計算環境修正系數；

c)計算K_Env,i的離散系數CoV；

d)若CoV大于10％，定義環境修正系數方法的需要修訂；

e)若CoV的值小于10％，通過公式8計算環境修正系數：

3)設計可求出修正系數的試樣級試驗矩陣；

規劃可求出修正系數以及修正系數中參數變量的試樣級試驗矩陣，基于1)所確定的使得復合材料大開口結構剩余強度最小時所對應的損傷位置到孔邊的距離，通過消除復合材料大開口結構自由邊與應變區的相互影響確定試驗件構型及幾何尺寸；

4)基于試驗結果計算許用值修正系數的參數，得到復合材料開口結構設計許用值；

5)根據開口的幾何特征、曲率半徑變化確定開口區的危險位置，基于有限元方法提取工作應變，確定強度分析公式；

5.1)確定分析位置，孔邊附近最危險的位置通過公式10計算安全裕度：

其中：

ε_LCO為復合材料開口設計許用值；

ε_tangential為復合材料開口工作應變：

5.2)凡是滿足以下任何情況的位置均被視作危險位置，需要計算該位置的安全裕度：

對于含有多種曲率的開口，每種曲率半徑對應的最大或最小主應變位置，每個位置至少選取一個點進行分析：

對于含有變化曲率的開口，選取最大曲率半徑對應的位置，每個位置至少選取兩個點進行分析；

如果分析位置的K_{UD_t}值大于1，需要在分析位置點的兩側額外分析兩個點的安全裕度，這兩個點的具體位置在原分析位置處切線方向旋轉5°后與孔邊切線的交點，依據應變分布區域以及開口幾何形狀，在開口周邊計算其他位置的安全裕度；

ε_tangential為復合材料開口工作應變，孔邊應變在滿足要求的有限元模型中提取；對于有限元模型，孔邊切向應變通過在同一半徑方向的至少5個單元的質心應變，利用外推法或通過在孔邊的可忽略剛度的桿單元或梁單元得到，非線性的多項式方程必須高于兩階；所選分析位置的網格尺寸要保證孔邊應變足夠精確，網格尺寸確定的收斂準則為模型每次計算所用的網格尺寸是上一次模型網格尺寸的一半，經過迭代，使得分析位置的應變值在前后兩次計算結果誤差在3％以內時，前一次迭代所用的網格尺寸滿足要求。