[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

说明书

本发明公开了含制孔分层损伤的复合材料层合板强度预测方法,主要步骤为:建立复合材料层内单元及层间单元的本构模型；使用ABAQUS的VUMAT接口完成复合材料层内单元及层间单元本构模型的编写；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；对层合板模型建立边界条件，施加载荷并在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。本发明能够有效的预测不同分层缺陷对于复合材料层合板的强度的影响，对于进一步建立合理的制孔质量评价指标具有一定的指导意义，建立制孔工艺与服役性能之间的映射关系。

技术领域

本发明涉及一种复合材料检测领域的技术，具体涉及一种基于有限元仿真分析的纤维增强复合材料层合板结构的强度预测以及损伤分析方法。

背景技术

与金属材料相比，复合材料具有更高得比强度、比模量，且在抗腐蚀、抗疲劳性能上有着显著优势，因此在航空航天领域获得了广泛的应用。对于航空航天结构来说，重量是影响飞行物燃料消耗率的重要因素，大量使用碳纤维增强复合材料可以在不影响结构强度的情况下优化飞行器结构重量。有限元仿真作为复合材料的一种重要研究方法，在层合板构件设计与分析中起着非常重要的作用，仿真结果不仅可以为设计提供参考，也可以预测已有结构的强度及损伤形式，节省实验成本。

然而，碳纤维增强复合材料是一种典型的难加工材料，表现为本身硬度大、强度高、导热性不好。其非均质、各向异性和叠层结构特征等，导致其在加工过程中容易产生纤维撕裂、分层、微裂纹等缺陷。尤其是对于常用的制孔加工，由于工艺水平的限制，钻削的轴向力过大引起的分层，在复合材料层合板制孔过程中很难避免。内部分层缺陷的产生可能会导致含孔板及其连接结构的强度和刚度降低，尤其是在受压情况下初始的分层缺陷会有扩展趋势并导致层合板出现局部屈曲，使得结构的承载能力与寿命都有不同程度的下降，因此对含制孔缺陷的复合材料层合板服役性能进行研究具有重大意义。

目前，对于复合材料层合板强度与损伤预测问题已有较多研究方法，但是大多方法都是假设层合板是无缺陷的，导致仿真结果与实际有所偏差。为了确定分层缺陷对层合板强度的影响，并准确分析其在服役过程中产生的各类型损伤，提出一种综合考虑了纤维、基质损伤、非线性剪切损伤以及层间损伤的有限元模型，使其能够精确预测带有分层缺陷的层合板的强度，对于进一步建立合理的制孔质量评价指标具有一定的指导意义，建立了制孔工艺与服役性能之间的映射关系。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种提高了复合材料仿真精度，预测分层缺陷对层合板强度影响的含制孔分层损伤的复合材料层合板强度预测方法。

本发明的含分层损伤的层合板强度与损伤的仿真方法，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：