[发明专利]复合材料冲击后剩余强度预测方法、系统、装置及介质

说明书

本发明公开了一种复合材料冲击后剩余强度预测方法、系统、装置及介质，方法包括：获取待测复合材料受到冲击损伤后的第一频率值；根据待测复合材料的初始频率值和第一频率值确定第一频率变化率；将第一频率变化率输入到预先构建的剩余强度预测模型，预测得到待测复合材料的第一剩余强度；其中，第一频率值和初始频率值均通过模态测试得到。本发明可以对正在服役的复合材料进行剩余强度预测，无需确定冲击损伤的位置及大小，也无需确定冲击能量、冲击物形状和质量，避免了对正在服役的复合材料的刚度测试，相对现有技术而言，提高了复合材料冲击后剩余强度预测的效率和准确度，适用范围更广。本发明可广泛应用于复合材料剩余强度预测技术领域。

技术领域

本发明涉及复合材料剩余强度预测技术领域，尤其是一种复合材料冲击后剩余强度预测方法、系统、装置及介质。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)具有强度高、密度低、抗疲劳、耐腐蚀等优点，在工程设计中得到了广泛应用。然而，在服役过程中受到砂石、冰雹、维修工具跌落等中低速冲击容易在FRP材料内部产生基体开裂、分层、纤维断裂等损伤。这些冲击损伤从表面难以辨识，但很可能会削弱结构的强度和承载力，对在役构件是极大的安全隐患。因此对FRP结构冲击后的剩余强度进行早期的预测和跟踪监测，显得尤为重要。

目前，常用于复合材料冲击后剩余强度预测方法主要有三大类，第一类是基于有限元法的数值模拟方法，其中包含软夹杂法、开孔法、分层损伤预埋法以及损伤演化法等；第二类是以大量破坏性的强度试验为基础的经验公式预测方法；第三类是基于剩余刚度的剩余强度预测方法。

1)软夹杂法、开孔法与分层损伤预埋法主要先通过超声波扫描或X射线等传统无损检测技术确定损伤的大小及位置后，分别通过损伤区域材料参数折减、挖空损伤区域单元、预置分层损伤的简化手段考虑冲击损伤对结构的影响，并进一步根据损伤准则与损伤演化模型判断简化后的冲击损伤模型的剩余强度。这类方法的优点在于冲击损伤形式简单，方便后续的剩余强度分析，而其缺点在于：需要先利用传统无损检测手段先确定冲击损伤的位置及大小，才能预测剩余强度，对于正在服役的结构并不适用。

2)损伤演化法是首先根据设定的冲击能量、冲击物形状及质量，按照失效判断和损伤演化模型进行有限元分析得到冲击损伤，然后对含冲击损伤的结构进行剩余强度分析。这类方法的优点在于无需对冲击损伤进行人为简化，尽可能地减少了冲击损伤的简化导致的剩余强度计算误差，而其缺点在于：①必须知道冲击能量、冲击物形状及质量才能进行冲击损伤及损伤后的剩余强度判断，而实际上，像飞鸟、冰雹等冲击物的冲击能量以及具体形状、质量难以在线测量获得；②计算时间长，对于要求快速评估剩余强度的在线监测任务，该方法并不适用。

3)经验公式预测方法首先需要进行大量具有破坏性的强度试验，并通过拟合的方法确定冲击能量等输入参数与结构冲击后剩余强度的关系，最后提出相关的冲击后剩余强度预测的经验公式。这类方法的优点在于输入指定所需要的参数，便能快速预测剩余强度，是上述方法中预测效率最高的。而其缺点在于：①需要提前知道冲击能量等冲击事件相关信息，而这些信息难以通过在线获得；②需要进行大量破坏性试验才能确定剩余强度预测的经验公式，经济成本高。

4)基于剩余刚度的剩余强度预测方法，主要通过对冲击后的试件进行人为加载，获取结构冲击后刚度，根据剩余刚度与剩余强度的关系确定冲击后剩余强度。优点在于无需对损伤进行检测或者人为假定，只需进行少量的破坏性实验便能确定剩余强度和剩余刚度的关系。由于刚度测试无需破坏试件，因此可以经常性地通过测试刚度来检验强度。其缺点在于刚度的测量需要人为加载，对于正在服役的结构进行刚度测试仍有难度。

综上所述，现有的剩余强度预测方法无法用于在役复合材料的剩余强度监测。

发明内容

本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。