[發(fā)明專利]一種復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202011501315.6
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112528415A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 駱麗;沙云東
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李運(yùn)萍

1.一種復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述復(fù)合材料為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所述復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法包括以下步驟：

S1：計算所述軸結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)，識別結(jié)構(gòu)危險位置，將所述結(jié)構(gòu)危險位置處的宏觀應(yīng)力轉(zhuǎn)化為沿連續(xù)纖維方向的應(yīng)力與垂直于連續(xù)纖維方向的應(yīng)力；

S2：在有限元仿真軟件上，基于周期性邊界條件，建立所述復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)代表體積元模型，輸入幾何參數(shù)和材料參數(shù)，并劃分為有限元網(wǎng)格；對代表體積元模型施加橫向載荷和縱向載荷，根據(jù)有限元節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，確立所述代表體積元基于失效準(zhǔn)則的失效包線；

S3：將步驟S1中轉(zhuǎn)化后的沿連續(xù)纖維方向的應(yīng)力與垂直于連續(xù)纖維方向的應(yīng)力與步驟S2中得到的失效包線對比，進(jìn)行細(xì)觀失效模式的分析。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述復(fù)合材料的基體為金屬。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述四邊形代表性體積元模型是一個長方體，棱長為a、b、c，其中一對包含棱長a、b的平行面正中間被一條圓柱形連續(xù)纖維垂直貫穿，其他部分為基體材料，a、b的取值滿足πr²/ab＝Vf，r為連續(xù)纖維橫截面圓的半徑，Vf為連續(xù)纖維在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)，且a、b均大于連續(xù)纖維的直徑2r，c為任意值；長方體的一對平行于連續(xù)纖維的面的法線方向與結(jié)構(gòu)危險位置處的軸結(jié)構(gòu)截面圓徑向相同。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述步驟S1中將結(jié)構(gòu)危險位置處的宏觀應(yīng)力轉(zhuǎn)化為沿連續(xù)纖維方向的應(yīng)力與垂直于連續(xù)纖維方向的應(yīng)力的方法包括以下步驟：

所述軸結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)危險位置處宏觀應(yīng)力使用坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸為X、Y、Z軸，結(jié)構(gòu)危險位置處的軸結(jié)構(gòu)截面圓徑向為Z軸方向；結(jié)構(gòu)危險位置處的單層材料中沿連續(xù)纖維方向為1軸，單層材料中垂直連續(xù)纖維方向為2軸，3軸方向與Z軸方向相同；定義σ_a為沿a軸的正應(yīng)力，τ_ab為垂直于a軸的平面內(nèi)沿b方向的切應(yīng)力，采用下式將的X、Y軸方向的宏觀應(yīng)力轉(zhuǎn)化為沿連續(xù)纖維方向1軸的應(yīng)力與垂直于連續(xù)纖維方向2軸的應(yīng)力：

其中，T為應(yīng)力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，m＝cosθ，n＝sinθ，θ為從X軸逆時針轉(zhuǎn)到1軸的角度。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述X軸方向為復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)的軸向，Y軸方向為結(jié)構(gòu)危險位置處復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)的截面圓切線方向。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述步驟S2中確立所述代表體積元基于失效準(zhǔn)則的失效包線的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

(1)將沿連續(xù)纖維方向定義為縱向，垂直連續(xù)纖維方向定義為軸向；保證橫向載荷為零，通過加載縱向載荷，確定縱向單一失效邊界；保證縱向載荷為零，通過加載橫向載荷，確定橫向單一失效邊界；

(2)向代表體積元施加縱向單一失效邊界對應(yīng)的縱向臨界載荷，同時施加橫向載荷，找到此時代表體積元的橫向失效邊界；

向代表體積元施加橫向單一失效邊界對應(yīng)的橫向臨界載荷，同時施加縱向載荷，找到此時代表體積元的縱向失效邊界；

(3)根據(jù)步驟(2)中得到的代表體積元的橫向失效邊界和縱向失效邊界，確立代表體積元的失效包線；

所述的失效邊界的確定方法是根據(jù)施加載荷后有限元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力或/和應(yīng)變響應(yīng)，基于選擇的失效準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)宏-細(xì)觀失效模式分析方法，其特征在于，所述失效邊界的確定方法是根據(jù)施加載荷后有限元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)，基于最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。