[發(fā)明專利]一種基于失效面理論的復(fù)合材料層合板強(qiáng)度分析方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010559632.7
• 申請(qǐng)日: 2020-06-18
• 公開（公告）號(hào): CN111709174A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧杰斐;李可;宿磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F17/16;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 無錫華源專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32228
• 代理人: 聶啟新

1.一種基于失效面理論的復(fù)合材料層合板強(qiáng)度分析方法，其特征在于，所述方法包括：

建立基于三維失效面理論的復(fù)合材料力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，包括：

復(fù)合材料在未損傷和損傷這兩種狀態(tài)下的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)方程分別為：ε＝S₀σ和ε＝S_dσ，其中ε為自然坐標(biāo)系下的應(yīng)變，σ為自然坐標(biāo)系下的應(yīng)力向量，S₀為未損傷狀態(tài)下的柔度矩陣，S₀通過試驗(yàn)測得的復(fù)合材料工程彈性常數(shù)確定；S_d為損傷狀態(tài)下的柔度矩陣，S_d與復(fù)合材料損傷程度有關(guān)，并且S_d由所述三維失效面理論推導(dǎo)得到，包括：

首先采用基于所述三維失效面理論構(gòu)造的失效準(zhǔn)則來判斷所述復(fù)合材料是否發(fā)生損傷；根據(jù)所述三維失效面理論，材料失效是由失效面上的應(yīng)力決定的，因此先通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T將所述應(yīng)力向量σ＝[σ₁ σ₂ σ₃ τ₂₃ τ₁₃ τ₂₁]^T由自然坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到三維失效面坐標(biāo)系：σ^fp＝T^-1σ，其中σ^fp＝[σ_l σ_n σ_t τ_nt τ_lt τ_nl]^T，代表失效面坐標(biāo)系下的真實(shí)應(yīng)力向量，然后將所述失效面坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量σ_l,σ_n,τ_nt,τ_nl代入基于所述三維失效面理論構(gòu)造的失效準(zhǔn)則以判斷所述復(fù)合材料是否失效及其失效模式；

如果所述復(fù)合材料滿足所述失效準(zhǔn)則，則發(fā)生損傷，需進(jìn)行剛度性能退化；根據(jù)所述三維失效面理論，損傷變量矩陣D^fp同樣應(yīng)該定義在所述失效面坐標(biāo)系下，而非傳統(tǒng)的自然坐標(biāo)系；由損傷力學(xué)知識(shí)可知，失效面上的有效應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)力σ^fp滿足關(guān)系式：基于能量等效假設(shè)，在失效面坐標(biāo)系中未損傷和損傷這兩種狀態(tài)下的柔度矩陣滿足關(guān)系式最后通過所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T將失效面坐標(biāo)系中的兩柔度矩陣由失效面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換回自然坐標(biāo)系，得到S_d＝(T^T)^-1(D^fp)^TT^TS₀TD^fpT^-1；在所述復(fù)合材料發(fā)生損傷后，應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系由ε＝S_dσ確定；

如果所述復(fù)合材料不滿足所述失效準(zhǔn)則，則未發(fā)生損傷，材料剛度性能不變，所述復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系由ε＝S₀σ確定；

基于有限元軟件二次開發(fā)的復(fù)合材料層合板三維建模，包括：

根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的幾何特征，采用參數(shù)化方法建立所述復(fù)合材料層合板的三維有限元模型，設(shè)置材料屬性，再劃分網(wǎng)格，并施加載荷和邊界條件；

所述復(fù)合材料層合板的漸進(jìn)失效分析，包括：

對(duì)所述復(fù)合材料層合板的三維有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬所述復(fù)合材料層合板的損傷起始、損傷演化和最終破壞的全過程，在每個(gè)載荷增量步，采用基于三維失效面理論構(gòu)造的失效準(zhǔn)則判斷材料是否損傷，對(duì)失效的材料基于失效面坐標(biāo)系進(jìn)行剛度退化，然后繼續(xù)施加載荷增量，直至確定所述復(fù)合材料層合板最終破壞；

根據(jù)有限元數(shù)值分析結(jié)果得到所述復(fù)合材料層合板的失效載荷與失效模式。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失效面理論的復(fù)合材料層合板強(qiáng)度分析方法，其特征在于，所述首先采用基于所述三維失效面理論構(gòu)造的失效準(zhǔn)則來判斷所述復(fù)合材料是否發(fā)生損傷，包括：

所述失效準(zhǔn)則及其失效模式為：

①纖維拉伸失效：

②纖維壓縮失效：

③基體拉伸失效：

④基體壓縮失效：

式中X_T是復(fù)合材料的纖維縱向拉伸，X_C是復(fù)合材料的纖維壓縮強(qiáng)度，γ_T是復(fù)合材料的基體橫向拉伸，γ_C是復(fù)合材料的基體壓縮強(qiáng)度，S₂₁是縱向剪切強(qiáng)度，為復(fù)合材料橫向壓縮斷裂角度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于失效面理論的復(fù)合材料層合板強(qiáng)度分析方法，其特征在于，所述對(duì)失效的材料基于失效面坐標(biāo)系進(jìn)行剛度退化，包括：

在所述失效面坐標(biāo)系中定義所述損傷變量矩陣D^fp：

式中di(i＝l,n,t)和dij(i,j＝n,t,l)是對(duì)應(yīng)不同失效模式的損傷變量，若材料未發(fā)生失效，則損傷變量的值都為0；基于能量等效假設(shè)，最終得到損傷狀態(tài)下的柔度矩陣S_d＝(T^T)^-1(D^fp)^TT^TS₀TD^fpT^-1，式中S₀為復(fù)合材料未損傷狀態(tài)下的柔度矩陣，T為所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

其中θ表示所述失效面坐標(biāo)系t方向與自然坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的方向之間的夾角。