[发明专利]含制孔分层损伤的复合材料层合板强度预测方法

权利要求书

1.含分层损伤的层合板强度与损伤的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、建立复合材料层内单元的本构模型，包括线性阶段、判断单元损伤起始的损伤准则以及损伤后的非线性阶段，本构模型中应力-应变关系形式为下式(1)：

式中,σ₁，σ₂，σ₃代表正3个互相垂直的正应力分量，其中下标1方向为纤维方向，2方向为层合板的层内与纤维垂直方向，3方向为层合板的叠层厚度方向；τ₂₃，τ₁₃，τ₁₂代表正3个互相垂直的剪切应力分量；ε₁，ε₂，ε₃代表正3个互相垂直的正应变分量；γ₂₃，γ₁₃，γ₁₂代表3个互相垂直的剪切应变分量；E_ij为刚度矩阵参数，i，j＝1-6；

在根据公式(1)计算应力应变后，采用Hashin准则，根据当前的应力应变值判断复合材料层内单元失效起始；

复合材料层合板层内单元损伤发生后采用渐进退化方案折减复合材料的刚度参数，损伤变量计算公式(2)如下：

其中L_c是有限元中的单元的特征长度；X_T、X_C分别表示复合材料纤维方向上的拉伸强度及压缩强度；Y_T、Y_C分别表示复合材料纤维垂直方向上的拉伸强度及压缩强度；G_ft，G_fc分别对应复合材料沿纤维方向拉伸、压缩断裂；G_mt，G_mc分别对应复合材料沿纤维横向拉伸、压缩断裂能；分别代表纤维拉伸失效模式下的损伤变量、纤维压缩失效模式下的损伤变量、基质拉伸失效模式下的损伤变量、基质压缩失效模式下的损伤变量；d_ft、d_fc、d_mt、d_mc分别代表复合材料纤维拉伸失效模式、纤维压缩失效模式、基质拉伸失效、基质压缩失效下的退化系数；E₁、E₂表示复合材料上的弹性模量；

取d_f为纤维退化系数，d_m为基质退化系数，将退化系数引入公式(1)，复合材料层内单元损伤后非线性阶段的正应力与正应变关系为：

采用经验公式描述公式(1)剪切应力τ_ij与剪切应变γ_ij关系，其中i，j＝1，2，3；G_ij表示复合材料的剪切模量；S_ij表示复合材料的剪切强度；

步骤二、建立层合板层间内聚力单元的本构模型，层间内聚力单元采用线性-抛物线型本构模型，所述线性-抛物线型本构模型中应力与位移的关系式为：

式中σ′₃为内聚力单元的法向应力，τ′₁，τ′₂为内聚力单元相互垂直且与法向垂直方向的剪切应力，式中δ₃为内聚力单元的法向位移，δ₁，δ₂为内聚力单元相互垂直且与法向垂直方向的剪切位移，K₁，K₂，K₃为刚度参数；判断层间内聚力单元失效的损伤准则选取二次应力准则，表达式为其中：T表示名义法向分层拉伸强度；S表示名义剪切强度，当计算F的值大于等于1时，层间内聚力单元发生损伤，由线性阶段进入抛物线阶段，引入损伤变量D，其表达式如下：

式中G_C为断裂能，表示为为分层损伤起始位移，为层间完全失效位移，损伤后的内聚力单元应力-应变关系式如下所示：

步骤三、使用ABAQUS的VUMAT接口完成步骤一与步骤二中的本构模型的程序编写，并采集包括待测试的复合材料层合板的强度、刚度在内的材料参数，利用程序中的变量接口建立复合材料的材料属性项；

步骤四、建立完整复合材料层合板与带有分层缺陷复合材料层合板的有限元模型；

第一步，采集复合材料层合板的尺寸参数，在ABAQUS中建立第一个完整的层合板几何模型；

第二步，将完整层合板几何模型按照实际层数分割，将各层模型赋予独立的坐标系并旋转角度使其与实际铺层方向相同；

第三步，在完整层合板模型各层之间插入内聚力单元层，并以扫略的方式对完整层合板模型划分网格，分别将建立的材料属性项赋予层内单元与层间单元；

第四步，重复步骤第一步到第三步，建立与第一个完整的层合板几何模型相同的第二个层合板模型；

第五步，根据带有分层缺陷的复合材料层合板中的实际分层缺陷所在区域，删除第二个层合板模型中对应区域的层间内聚力单元；

步骤五、对步骤四中的两个复合材料层合板模型分别建立边界条件，对两个模型分别施加载荷；

然后，在ABAQUS中计算得到两种模型在载荷施加位置的载荷-位移曲线及整体损伤值云图；

最后，根据载荷位移曲线分别得到完整复合材料层合板和带有分层缺陷的复合材料层合板的极限强度预测值，通过对比带有分层缺陷复合材料层合板与完整复合材料层合板模型的极限强度预测值，得到不同分层区域面积或位置对复合材料层合板强度的影响规律；损伤值云图能够标记模型中的损伤位置，用于分别预测完整复合材料层合板和带有分层缺陷的复合材料层合板的失效形式与失效位置。