[发明专利]一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法

摘要

本发明公开了一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，步骤：(1)根据复合材料力学试验，获得单层板力学性能分布特征参数和数值模拟样本点；(2)开始循环，利用刚度矩阵及铺层角度，计算单层板转换刚度矩阵；(3)根据层合板构成形式，计算层合板拉伸、耦合及弯曲刚度；(4)基于本构方程计算层合板中面应变及单层板主应力；(5)将主应力代入失效准则计算强度比，将最小强度比对应单层板性能退化；(6)重复步骤(2)～(5)，直到强度比小于1停止计算，输出终层失效强度；(7)重复步骤(2)～(6)，直到循环结束，得到层合板强度分布范围。本发明可以有效预测含不确定参数层合板的终层失效强度分布特征。

主权项

1.一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，其特征在于实现步骤如下：第一步：根据复合材料单层板力学性能试验得到的力学性能参数有限数据样本点，形成矩阵其中x₁(1),x₁(2),…x_m(p)是试验数据，m为单层板力学参数的个数，p为每个参数样本数据的个数；利用非统计度量方法对有限样本数据进行筛选评估，得到力学性能参数的不确定分布表征参数，上界和下界X；进而随机均匀生成Monte Carlo模拟数据样本点X_i,i＝1,2,…,n，n为样本点的总个数；第二步：基于第一步得到的复合材料单层板力学性能Monte Carlo模拟数据样本点X_i,i＝1,2,…,n，开始循环，令i＝1，选择力学性能样本数据点X_i，利用二维刚度矩阵[Q]及层合板铺层角度θ_l,l＝1,2,…,N，计算每层单层板的转换刚度矩阵其中N为层合板的总铺层数；第三步：基于第二步得到的转换刚度矩阵及其每项根据层合板的构成形式，计算层合板的拉伸刚度矩阵[A]、耦合刚度矩阵[B]以及弯曲刚度矩阵[D]，即：式中A_ij,B_ij,D_ij分别为拉伸刚度矩阵、耦合刚度矩阵以及弯曲刚度矩阵对应的刚度系数；表示第k层单层板的转换刚度系数，z_k为各单层厚度上坐标，z_k‑1为各单层厚度下坐标；第四步：基于第三步得到的拉伸刚度矩阵[A]、耦合刚度矩阵[B]以及弯曲刚度矩阵[D]，利用本构方程计算得到：式中N＝[N_x N_y N_xy]^T是单位宽度面内合力，其中N_x和N_y分别为层合板x方向和y方向的拉力或压力，N_xy为剪切力；M＝[M_x M_y M_xy]^T为单位宽度弯矩和扭矩，其中M_x和M_y分别为绕y方向和x方向的弯矩，M_xy为扭矩；是中面应变，其中和分别为x方向和y方向的中面拉应变或压应变，为中面切应变；K＝[K_x K_y K_xy]^T是中面弯曲率和扭曲率，其中K_x和K_y分别为绕y方向和x方向的中面弯曲率，K_xy为中面扭曲率，进而计算层合板内任一单层的应变、主应变以及主应力；第五步：将第四步得到的每一单层主应力代入复合材料失效准则中，计算出每层对应的破坏指标以及强度比Rl,l＝1,2,…,N，将最小强度比Rmin对应的单层板性能进行退化；第六步：针对第五步得到的最小强度比Rmin，判断最小强度比是否小于1，如果不小于1，则外载荷放大Rmin倍，重复第二步～第五步，直到最小强度比小于1计算停止，确定终层失效强度Fi；第七步：判断循环次数i是否等于n，如果不等于n，则i＝i+1，重复第二步～第六步，如果等于n，则输出层合板失效强度分布范围，计算结束，完成了含不确定参数复合材料层合板的终层失效强度预测。