[發明專利]一種濕熱環境中的CFRP層合板的幾何非線性分析方法

在審

• 申請號: 202110652268.3
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113486496A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 戴宏亮;唐洪;賀其
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 長沙明新專利代理事務所(普通合伙) 43222
• 代理人: 葉舟

本發明涉及一種濕熱環境中受均布荷載作用的碳纖維增強復合材料(CFRP)層合板的幾何非線性分析方法，屬于現代工程結構分析與應用技術領域，即基于Reddy的高階剪切變形理論，在CFRP的工程結構中考慮濕熱效應的影響。本發明針對如何解決工程材料中的濕熱變形，利用虛擬位移法推導幾何非線性控制方程，考慮邊界條件是彈性限制旋轉；然后，將CFRP的物理參數在濕熱效應中視為常數，并使用Galerkin方法求解控制方程，其中使用了夾緊的矩形CFRP層壓板。本發明利用非線性分析方法實現工程結構的濕熱變形預測，為CFRP的結構損傷預測提供了一種新方法，在降低復合材料結構事故方面具有一定的指導意義。

技術領域

本發明涉及一種濕熱環境中受均布荷載作用的碳纖維增強復合材料層合板的幾何非線性分析方法，屬于現代工程結構分析與應用技術領域。

背景技術

各種先進的復合材料在21世紀大量用于航空航天等工業領域中，復合材料與其它工程材料一樣，都是在一定的環境條件下使用。常見的環境條件包括濕度、溫度、腐蝕性介質、紫外線輻射、載荷等。對于有些復合材料，如航空航天用復合材料，其環境條件更為復雜，如高低溫交變及濕膨脹系數的急劇變化。一種環境條件或多種環境條件的作用均會導致復合材料的性能變化。這種性能變化主要是受環境因素的影響，導致基體、纖維或纖維-基體界面發生變化或破壞。在載荷、應力、腐蝕作用下將使聚合物基復合材料的纖維-基體界面受到破壞，導致復合材料的強度和剛度下降。因此開展復合材料在濕熱環境下的分析，對于合理、有效地使用復合材料是很有必要的。

目前，濕熱效應對復合材料力學性能的影響主要限于小變形理論。對于濕熱條件下的幾何非線性理論，盡管也有涉及，但多數方法僅限于傳統的經典板殼理論或Reissner-Mindlin理論。己有的研究結果表明，高階剪切變形理論更接近于彈性理論解。但是，濕熱環境下復合材料的高階剪切變形在現有的方法中是很少被發現。因此，本發明的重點是高階剪切變形理論下濕熱環境對復合材料層合板幾何非線性的影響，同時考慮更多的因素，如不同的邊界條件，幾何參數的變化等。

發明內容

本發明針對如何預測復合材料結構的濕熱損傷變形，提高復合材料結構在實際工程應用中安全可靠性，提出了一種濕熱環境中的CFRP層合板的幾何非線性分析方法，即基于Reddy的高階剪切變形理論，在CFRP的工程結構中考慮濕熱效應的影響。本發明針對如何解決工程材料中的濕熱變形，利用虛擬位移法推導幾何非線性控制方程，考慮邊界條件是彈性限制旋轉；然后，將CFRP的物理參數在濕熱效應中視為常數，并使用Galerkin方法求解控制方程，其中使用了夾緊的矩形CFRP層壓板。本發明利用非線性分析方法實現工程結構的濕熱變形預測，為CFRP的結構損傷預測提供了一種新方法，該方法應用在不同領域時可移植性強，同時可結合更豐富的工程經驗等。

1.一種濕熱環境中的CFRP層合板的幾何非線性分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、將x-y軸置于CFRP層合板的中面，得到CFRP層合板的位移場；

步驟二、得到CFRP層合板中第k層的本構關系；

步驟三、基于CFRP層合板的位移場，基于Reddy高階剪切變形理論，得到得ε_x，ε_y，γ_yz，γ_xz和γ_xy之間的關系式；其中，ε_x表示沿x軸方向的應變，ε_y表示沿y軸方向的應變，γ_yz表示y-z平面的剪應變，γ_xz表示x-z平面的剪應變，γ_xy表示x-y平面的剪應變；

步驟四、使用位移表示彈性轉動約束邊界條件；

步驟五、采用可調節參數的迭代法求解控制方程，得到不同溫度和濕度下CFRP層合板的撓度和彎曲應力。