一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法及装置

摘要

本发明涉及复合材料设计技术领域，具体涉及一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法及装置。该方法包括以下步骤：载入设计模型及其设计参数，并加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法；按设定冲击参数对设计模型施加低速冲击载荷，根据基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法，判断设计模型的失效形式和失效点；根据设计模型的失效形式和失效点，判断设计模型的损伤位置。能够解决现有的损伤算法对于低速冲击条件下的复合材料损伤估计不准确的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料设计技术领域，具体涉及一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法及装置。

背景技术

复合材料层合板结构的层状特点及其十分有限的塑性变形能力导致了在冲击载荷作用下，其内部极易产生大量的损伤。特别在低能量冲击作用下，层合板表并不出现损伤，或者出现轻微的损伤，但在其内部却已经产生了大量的基体裂纹、大面积的层间脱层、少量的纤维断裂和冲击点下方局部的基体挤裂等形式的损伤。这些损伤对层合板的各方面性能都有非常重要的影响，例如极限强度、吸波能力、疲劳特性等。最棘手的问题是：低速冲击损伤目视不可见，极易被检测人员忽略；即使分层已经发生，如果层间还保持着接触状态，即使C扫描等手段也不易发现分层，因此其潜在危害巨大。

研究复合材料低速冲击问题，对结构抗冲击损伤能力进行合理分析及评价，对于结构的安全评估及实验检测都具有十分重要的意义。

随着复合材料技术和损伤判定准则的发展，复合材料设计的商用软件已逐渐用于复合材料结构设计过程中，但是商用软件自带的损伤算法对于低速冲击条件下的复合材料损伤估计不准确，失效模式与实际差异很大，会导致最终设计的产品不能达到设计要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法及装置，能够解决现有的损伤算法对于低速冲击条件下的复合材料损伤估计不准确的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法，包括以下步骤：

载入设计模型及其设计参数，并加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法；

按设定冲击参数对设计模型施加低速冲击载荷，根据基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法，判断设计模型的失效形式和失效点；

根据设计模型的失效形式和失效点，判断设计模型的损伤位置。

在上述技术方案的基础上，在加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法时，同时加载材料的刚度退化模型；

在判断出设计模型的失效点后，根据刚度退化模型，在设计模型的失效点更新设计参数至退化参数，继续对设计模型施加低速冲击载荷；

达到低速冲击载荷的设定冲击参数后，根据所有设计模型的失效位置，确定设计模型的损伤面积。

在上述技术方案的基础上，所述刚度退化模型包括纤维拉伸退化模型、纤维压缩退化模型、基体拉伸退化模型、基体压缩退化模型、拉伸分层退化模型和压缩分层退化模型。

在上述技术方案的基础上，纤维拉伸退化模型为E′

纤维压缩退化模型为E′

基体拉伸退化模型为E′

基体压缩退化模型为E′

拉伸分层退化模型为E′

压缩分层退化模型为G′

其中：E

E

G

在上述技术方案的基础上，所述的纤维方向失效判断算法为：

当σ

当σ

其中：σ

在上述技术方案的基础上，所述的基本方向失效判断算法为：

当σ

当σ

其中，σ

在上述技术方案的基础上，所述的分层失效判断算法为：

当σ

当σ

其中，σ

在上述技术方案的基础上，设计模型的设计参数包括：纤维方向的弹性模量、基体方向的弹性模量、层间方向的弹性模量、纤维基体单层平面内的剪切模量、纤维层间平面内的剪切模量以及基体层间平面内的剪切模量。

在上述技术方案的基础上，所述的设定冲击参数包括冲击能量和冲击位置。

另一方面，本发明还提供一种复合材料结构低速冲击损伤确定装置，包括：

载入模块，其用于载入设计模型及其设计参数，并加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法；

分析模块，其用于按设定冲击参数对设计模型施加低速冲击载荷，根据基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法，判断设计模型的失效形式和失效点；

输出模块，其用于根据设计模型的失效形式和失效点，判断设计模型的损伤位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用方法和装置，可以准确的估计复合材料低速冲击后结构的损伤，提高设计效率，缩短设计时间。每个失效算法判定失效时对应的复合材料结构位置可由仿真分析初步给出，利用该失效准则便可判断结构的失效，可以更加精确的找到失效位置，这样就可以局部加强该复合材料结构局部的设计方案，使其整体性能更优。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法的流程图；

图2为本发明实施例中验证试验中冲击试验台架示意图；

图3为本发明实施例中验证试验中加筋板试件几何形状示意图；

图4为本发明实施例中验证试验中“工”字型加筋板冲击位置；

图5为本发明实施例中验证试验中A位置的冲击载荷曲线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。如图1所示：

本发明一种复合材料结构低速冲击损伤确定方法，包括以下步骤：

S1：载入设计模型及其设计参数，并加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法。

在一些可选的实施中，设计模型的设计参数包括：纤维方向的弹性模量、基体方向的弹性模量、层间方向的弹性模量、纤维基体单层平面内的剪切模量、纤维层间平面内的剪切模量以及基体层间平面内的剪切模量。当然在其他实施例中，也可以加入其他设计参数。

在本实施例中，载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法基于HASHIN准则和J.P.HOU准则的优势获得。使用本方法时，将上述算法通过用户子程序中自己定义的失效算法，载入到商业计算软件中。

在一些可选的实施中，所述的纤维方向失效判断算法为：

当σ

当σ

其中：σ

在一些可选的实施中，所述的基本方向失效判断算法为：

当σ

当σ

其中，σ

在一些可选的实施中，所述的分层失效判断算法为：

当σ

当σ

其中，σ

S2：按设定冲击参数对设计模型施加低速冲击载荷，根据基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法，判断设计模型的失效形式和失效点。

优选的，所述的设定冲击参数包括冲击能量和冲击位置。

S3：根据设计模型的失效形式和失效点，判断设计模型的损伤位置。

在一些可选的实施例中，在加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法时，同时加载材料的刚度退化模型。

在判断出设计模型的失效点后，根据刚度退化模型，在设计模型的失效点更新设计参数至退化参数，继续对设计模型施加低速冲击载荷。

达到低速冲击载荷的设定冲击参数后，根据所有设计模型的失效位置，确定设计模型的损伤面积。

优选的，所述刚度退化模型包括纤维拉伸退化模型、纤维压缩退化模型、基体拉伸退化模型、基体压缩退化模型、拉伸分层退化模型和压缩分层退化模型。

优选的：

纤维拉伸退化模型为E′

纤维压缩退化模型为E′

基体拉伸退化模型为E′

基体压缩退化模型为E′

拉伸分层退化模型为E′

压缩分层退化模型为G′

其中：E

E

G

另一方面，本发明还提供一种复合材料结构低速冲击损伤确定装置，包括：载入模块，其用于载入设计模型及其设计参数，并加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法。还包括分析模块，其用于按设定冲击参数对设计模型施加低速冲击载荷，根据基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法，判断设计模型的失效形式和失效点。还包括输出模块，其用于根据设计模型的失效形式和失效点，判断设计模型的损伤位置。

在一些可选的实施例中，载入模块，还可用于在加载基本方向失效判断算法、纤维方向失效判断算法以及分层失效判断算法时，同时加载材料的刚度退化模型。

分析模块，还可用于在判断出设计模型的失效点后，根据刚度退化模型，在设计模型的失效点更新设计参数至退化参数，继续对设计模型施加低速冲击载荷。

输出模块，还可用于达到低速冲击载荷的设定冲击参数后，根据所有设计模型的失效位置，确定设计模型的损伤面积。

综上所述，该方法和装置，可以准确的估计复合材料低速冲击后结构的损伤，提高设计效率，缩短设计时间。每个失效算法判定失效时对应的复合材料结构位置可由仿真分析初步给出，利用该失效准则便可判断结构的失效，可以更加精确的找到失效位置，这样就可以局部加强该复合材料结构局部的设计方案，使其整体性能更优。且该方法对网格的密度要求不高，在网格较粗糙的情况下就可满足计算结果的精度要求，提高计算效率；另外，使用该方法模拟出的低速冲击损伤和试验结果吻合很好，可精确地模拟复合材料结构的低速冲击损伤。

下面对该方法和装置开展了相关试验进行验证分析。具体方案如下，复合材料加筋板低速冲击试验的试验台架由夹具、冲击物和冲击物轨道筒组成。加筋板试件加工了4个夹持边,并由螺栓固定在夹具上,夹具连接机座保证冲击过程中夹具不会滑移,从而保证试验结果的精确,如图2所示。

加筋板试件由准各向同性复合材料“工”字型筋条和层压板组成,其尺寸如图3所示。

通过对层合板的冲击研究,发现15J的冲击能量是最不容易被发现的维修意外。因此,采用相同的15J冲击能量冲击加筋板试件的不同位置,如图4所示。加筋板试件选用T800/924材料,并采用10mm直径的半球形冲头。

仿真分析结果与试验结果对比如表1所示。

表1仿真分析结果与试验结果对比

如图5所示，第3试验件A位置的冲击载荷仿真峰值为6590N，试验值为6157N，差异为7％，损伤面积为896mm2，比试验值小2.46％。

复合材料层合板结构在受冲击过程中由于基体拉伸强度很低,冲击背部表面首先产生基体开裂,然后基体开裂失效模式从受冲击背面沿厚度方向向冲击上表面扩展。当裂纹扩展到不同铺层角度的相邻界面时,便产生分层损伤。加筋条的存在改变了这个现象,在局部区域内,由于加筋条刚度较高,使垂直于加筋条方向的应力大幅度提高。因此,在冲击背面附近,只有铺层角度平行于加筋条的层板内会先产生一些基体裂纹,并且裂纹在沿厚度方向扩展的同时,还会沿纤维方向在层板内继续扩展。宏观上,层板的损伤会沿加筋条平行的方向扩展。对于本文中的位置A,由于离加筋条对称轴的冲击位置较远,可以看到该结构在A位置冲击后,层板的损伤先是呈现扁平的椭球状,然后损伤逐渐向平行于加筋条的方向扩展,最后的损伤是一个长轴和短轴比较接近的椭圆形，这是因为在冲击背面垂直于加筋条方向的正应力过大引起的铺层角度平行于加筋条的层板在多处发生基体开裂,从而使损伤呈扁平状,然后基体裂纹沿纤维方向及平行于加筋条方向扩展,引起层板的分层现象也平行于加筋条方向扩展。

该发明的复合材料损伤失效准则能高效准确的预测低速冲击后复合材料的损伤模式和形态，对于复合材料的设计具有重要意义。在设计该类形式的复合材料过程中，通过在仿真分析，可在设计之初优化铺层方案以及筋条和面板的尺寸，提升一次设计成功率，有效降低研发成本，提高设计效率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。