[发明专利]一种基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料结构的失效强度及失效模式分析，适用于航空航天飞行器中广泛使用的各种复杂复合材料结构。

背景技术

复合材料由于其高比强度、高比刚度、性能可设计及易于整体成型等优异特性而越来越广泛地应用于航空航天飞行器结构中，其应用范围已经从最初的非承力结构、次承力结构扩展到主承力结构。因此，复合材料结构在飞行器整体结构中占据着越来越重要的地位，对复合材料结构进行失效分析无论对飞行器结构设计还是强度校核都十分重要。然而，与金属材料不同，复合材料存在各向异性、层间强度低等特点，这些都导致了复合材料结构失效分析变得更加困难。在工程问题中，由于复合材料结构中的缺陷、多尺度损伤及损伤随机扩展，导致其在给定工况下的失效分析极其困难。

目前复合材料结构的分析方法可以分为两类，分别为经验类方法和渐进损伤分析方法。经验类方法可以方便快捷地预测复合材料连接结构的失效强度和失效模式，但对于预测复杂结构的力学性能和深入理解结构的损伤失效机理却颇显乏力，同时这类方法依赖于大量的试验数据积累。而渐进损伤分析方法是一种基于损伤力学的分析方法，它将连续损伤力学与有限元方法结合，由应力分析模型获得复合材料结构的应力分布状态，根据适当的失效准则评价材料的失效，并采用某种材料退化模型描述损伤失效材料的力学行为，并实施渐进损伤分析。通过渐进损伤分析，不仅可以预测复合材料结构初始损伤部位及初始破坏强度，还可以追踪损伤扩展路径，模拟从初始损伤到极限破坏的全过程，同时还可以确定结构的极限强度和剩余强度。

与各向同性材料不同，复合材料的破坏是一个渐进的过程，渐进损伤分析方法是将复合材料的失效看作是一种损伤，采用材料退化模型描述损伤材料的力学行为，通过渐进的应力分析和失效评价来模拟复合材料结构的损伤初始、损伤扩展以及极限失效全过程。所以，采用渐进损伤分析方法预测复合材料结构的强度及破坏过程主要包括三方面的内容：应力分析、失效准则选择和材料退化模型。它们相互关联，有机结合，针对不同的复合材料结构需建立适当的应力分析模型，并选择适用的失效准则和材料退化模型。最后结合试验结果进行验证，可以得到适用于所研究复合材料结构的渐进损伤模型。渐进损伤分析方法流程图如图1所示，当得到结构的应力分布后，复合材料结构的强度预测将取决于失效准则和材料退化模型。一部分失效准则能判断复合材料是否发生失效，却无法解释材料的失效机理或在哪些方向发生损坏。还有一部分失效准则，不但可以判断材料是否发生失效，而且能解释材料的破坏机理和失效模式，如Hashin准则、Hashin类准则等。当材料发生失效时，只需要将损伤区域的材料模量按失效模式进行退化就可以实现损伤模拟，这样的材料退化方法更加接近于真实损伤情况。

渐进损伤分析方法采用性能退化的材料来等效失效区域的材料刚度特性，从而使失效区域的应力降低。定义材料失效后发生性能退化的模型叫做材料退化模型。根据失效后材料性能退化方式的不同，材料退化模型可以分为突降退化模型和连续退化模型两类。

连续退化模型中材料的刚度是逐渐变化的，材料性能退化是个渐变的过程。由于该类模型的刚度退化系数的非线性，大大增加了计算的复杂性，因此很大程度上限制了该类模型的应用。

与连续退化模型不同，突降退化模型假设当复合材料的应力状态满足材料失效准则后即产生相应的宏观损伤，并且损伤贯穿整个单元，忽略了损伤在单元尺度内的积累和扩展过程。因此，突降退化模型中材料的性能瞬间退化为失效前材料性能的一部分。这类退化模型又可以分为两类：材料完全衰减和材料局部衰减。前一种模型中，只要材料的应力满足任一失效准则，不论发生哪种失效模式均将其刚度矩阵所有项都减为零，但各单层的空间位置不变。后一种模型则根据失效准则预测的材料失效模式，仅将与失效模式相关的项退化为零或未损伤材料性能的一部分。通过刚度退化系数将导致材料失效的主要作用应力降低。刚度退化系数的选取没有标准的方法和程序可以遵循。目前，刚度退化系数的选取一般是研究者基于对复合材料力学行为的研究经验结合复合材料结构的力学特点初步提出不同失效模式下需要退化的材料刚度参数，然后结合试验数据对各种刚度退化系数进行修正和改进。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，在理论分析的基础上，以复合材料三维基本材料性能为输入参数，通过细观力学方法计算得到损伤后的材料性能，考虑了常见的七种失效模式，包括纤维拉伸，纤维压缩，基体拉伸，基体压缩，纤维-基体剪切，分层拉伸和分层压缩，最终提出了一种基于细观力学的材料退化模型，并用于渐进损伤分析方法中进行复合材料结构的失效分析。