[发明专利]一种复合材料胶接结构的裂纹性能测定和优化求解方法

说明书

本发明涉及一种复合材料胶接结构的裂纹性能测定和优化求解方法，属于航空材料学技术研究领域，包括如下步骤：S1:建立裂纹扩展本构关系模型；S2：结合本构关系形式设计胶接层裂纹扩展试验；S3：利用多变量优化方法，逆向测定胶接层裂纹扩展性能参数，建立完整的界面裂纹扩展数学模型和分析方法。本发明提供的复合材料胶接结构的裂纹性能测定和优化求解方法计算精度高、速度快，建立的胶接结构界面裂纹扩展本构关系简单易用，具有广泛的实际应用价值，能够完整地展现粘结层材料的损伤开始、材料退化、裂纹产生和裂纹扩展过程。

技术领域

本发明涉及航空材料材料学研究技术领域，具体而言，涉及一种复合材料胶接结构的裂纹性能测定和优化求解方法。

背景技术

已有的金属材料的裂纹扩展性能，在推广至复合材料胶层裂纹时，困难重重，因为胶结构的高分子材料，其在高应力情况下的变形和损伤状态与金属材料差别很大，常常伴有升温、钝化和大变形等问题，不能直接使用金属材料裂纹扩展性能模型。目前，针对复合材料胶接结构裂纹扩展的研究很丰富，建立了很多本构模型。而由于材料特征，这些模型都非常复杂，通常是非线性隐式模型，参数众多，性能测量困难，给工程化使用带来了很大困难。

传统的材料性能参数测定方法，是在已知材料本构模型(即本构关系的形式，其中的参数为未知的待定参数)的前提下，可以利用本构关系公式来推导待定参数与试验数据之间的相关关系，然后利用统计方法用实验数据来计算待定参数(即材料常数)，得到完整的本构关系。例如，我们最熟悉的线弹性金属材料的单向胡克定律，已知应力与应变之间呈线性关系，线性相关的系数为弹性模量。利用金属材料典型件单向拉伸试验获得位移/载荷数据，然后利用最小二乘法求得弹性模量，进而建立本构关系(胡克定律)。而当材料的本构关系并不已知，或者，已知了本构关系形式，但形式太复杂，无法进行常规统计计算。复合材料胶接结构的界面裂纹扩展性能，就是这样一类问题，其本构关系非常复杂，通常是非线性隐式模型，参数数目众多，利用试验数据求解参数困难很大，无法完整建立本构模型，导致工程中的胶接结构分析时，材料性能不完备，计算分析效率低精度差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种能够简化本构关系、转化为线性弹性模型，减少参数数目、能够建立完整的本构模型的理的复合材料胶接结构的裂纹性能测定和优化求解方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种复合材料胶接结构的裂纹性能测定和优化求解方法包括如下步骤：

S1：建立裂纹扩展本构关系模型；

S2：面向参数优化算法的模型调整；

S3：设计和开展复合材料胶接结构界面裂纹扩展试验；

S4：利用试验数据优化求解性能参数。

优选的是，S1中选用损伤理论的韧性材料失效本构关系模型来模拟胶接结构界面材料的损伤和开裂；损伤前材料为线弹性行为，损伤后的材料损伤准则都包含三个部分：损伤起始准则、损伤演化法则和当达到“完全损伤”状态时的单元消除法则，损伤前的线性弹性模型为牵引力-张开的线性弹性模型，控制方程为：

其中，K_nn，K_ss和K_tt为三个方向的正牵引力和正张开位移之间的刚度系数，K_ns，K_st和K_tn为三个方向之间两两耦合的刚度系数，即张开的拉力导致剪切的变形，剪切力导致张开的变形；

损伤起始准则选择最大名义应力准则，即应力水平达到某个值时候材料开始出现损伤，控制方程为：

其中，和为损伤起始的临界应力，