專利名稱：用于分析和制造具有預(yù)定載荷容量的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于分析和/或制造具有預(yù)定載荷容量的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的系 統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，諸如通過確定復(fù)合構(gòu)件的臨界載荷，例如，根據(jù)應(yīng)
變能的劃分和 一 個(gè)或多個(gè)預(yù)定載荷的高斯點(diǎn)應(yīng)變的臨界狀態(tài)(criticality)。
背景技術(shù)：
復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常難以呈現(xiàn)材料特性，這使借助于常規(guī)技術(shù)的失效分 析比較困難。例如，許多復(fù)合材料在破裂或者失效之前呈現(xiàn)很小的變形。 因此，難以基于復(fù)合構(gòu)件破裂發(fā)展或開始失效之前的應(yīng)力而產(chǎn)生的變形， 來準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合構(gòu)件的失效點(diǎn)。具體地，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各向異性性 質(zhì)、以及在同樣的結(jié)構(gòu)成分使用多種材料而帶來的復(fù)雜性，通常需要基于 經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的預(yù)測。這些途徑需要相同或大致類似的結(jié)構(gòu)成分的大量測試， 以發(fā)展準(zhǔn)確的預(yù)測。所以，在復(fù)合構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造之后，通常對其進(jìn)行 測試，以確定或證實(shí)臨界載荷容量。這種測試可能費(fèi)錢費(fèi)時(shí)，從而限制了
因此，對于分析和制造結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，存在對于改進(jìn)的系統(tǒng)和計(jì)算機(jī) 程序產(chǎn)品的需求，以確定構(gòu)件的載荷容量，而無需進(jìn)行過多的破壞性測試。 這種系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)能夠分析復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并應(yīng)當(dāng)提供構(gòu)件 的準(zhǔn)確評估，使得可以將構(gòu)件設(shè)計(jì)成至少經(jīng)得起最小載荷，同時(shí)減少或最 小化重量和制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
一種系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品分析復(fù)合構(gòu)件的載荷容量。例如，該系統(tǒng) 可以用計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括存儲了計(jì)算機(jī)可讀程 序代碼部分的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)。根據(jù)一種實(shí)施方式，計(jì)算機(jī)可讀程序 代碼部分包括用于接收模型數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)的第一可執(zhí)行部分。模型數(shù)據(jù)
是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配置和載荷條件的特征，以及材料數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的材
料特性的特征。第二可執(zhí)行部分分析模型數(shù)據(jù)并生成分析數(shù)據(jù)，該分析數(shù) 據(jù)包括關(guān)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變張量。第三可執(zhí)行部分生成增強(qiáng)分 析數(shù)據(jù)，其包括代表結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的臨界應(yīng)變不變量值。第四可執(zhí)行部分 分析該增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)以生成結(jié)果數(shù)據(jù)，其代表導(dǎo)致?lián)p壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的不穩(wěn)
定性的載荷條件以及不穩(wěn)定性的可能位置(likely location)和方向。
例如，對于具有基體相和纖維相的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，第二、第三和 第四可執(zhí)行部分可以配置成提供關(guān)于復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的至少 一個(gè)基體 相臨界畸變(distortion^)應(yīng)變不變量，提供關(guān)于復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的至 少一個(gè)纖維相臨界畸變應(yīng)變不變量，以及確定關(guān)于復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的 至少一個(gè)基體相臨界膨脹(dilatational)應(yīng)變不變量。各基體相應(yīng)變不變量 值對應(yīng)于由于在復(fù)合構(gòu)件上的預(yù)定載荷所致的復(fù)合構(gòu)件基體相的多個(gè)高斯 點(diǎn)之一的應(yīng)變條件?？蓤?zhí)行部分還可以確定關(guān)于復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的多 個(gè)應(yīng)變不變量值，各應(yīng)變不變量值對應(yīng)于由于在復(fù)合構(gòu)件上的預(yù)定載荷所 致的復(fù)合構(gòu)件的負(fù)荷材料的多個(gè)高斯點(diǎn)之一的應(yīng)變條件。可執(zhí)行部分可以 比較各基體及纖維相應(yīng)變不變量值與對應(yīng)的基體或纖維相臨界應(yīng)變不變 量，以識別關(guān)于預(yù)定載荷的各高斯點(diǎn)的臨界狀態(tài)。因此，可讀程序的這些 部分可以確定關(guān)于預(yù)定載荷的總應(yīng)變能的劃分(partition),根據(jù)高斯點(diǎn)的臨 界狀態(tài)，在保持能量和分散能量之間劃分總應(yīng)變能。例如，將與各臨界高 斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變能劃分作為分散能量，以及將與各非臨界高斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián) 的應(yīng)變能劃分作為保持能量。
此外，這些部分可以配置成對于不同的預(yù)定載荷(如逐漸增大的載 荷)重復(fù)這些操作，從而計(jì)算臨界載荷(損壞不穩(wěn)定性開始)，其與被認(rèn)為 是關(guān)于特定應(yīng)用的不可接受的損壞、也就是可以保持的最大能量相對應(yīng)。 例如，通過根據(jù)基于復(fù)合構(gòu)件的薄板特性的隱損壞函數(shù)確定最大能量保持 (retention),可以計(jì)算臨界載荷。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，還可以提供另外的可執(zhí)行部分，用于執(zhí)行結(jié)果
一個(gè)或更多方面的概率上可能的變化所導(dǎo)致的結(jié)果數(shù)據(jù)的變化。還可以提 供另外的可執(zhí)行部分，用于根據(jù)計(jì)算出的載荷容量調(diào)整復(fù)合構(gòu)件的屬性(如 尺寸)，使得可以自動執(zhí)行構(gòu)件的迭代分析。


當(dāng)結(jié)合附圖和本發(fā)明的下列詳細(xì)描述考慮時(shí)，本發(fā)明的這些以及其他 的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)、以及實(shí)現(xiàn)方式將更為明了，附示優(yōu)選的和示例的實(shí)施 方式，而且附圖無需按比例繪制，其中
圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的透視圖； 圖2是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式用于分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷容量的 系統(tǒng)的方框圖3是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式用于分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷容量的 操作的流程圖；以及
圖4和圖5是圖解示出用于分析復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷容量的系統(tǒng)和操 作的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照示出本發(fā)明部分而非全部實(shí)施方式的附圖，對本發(fā)明進(jìn)行 更充分的描述。本發(fā)明可以具體化為許多不同形式，而且不應(yīng)當(dāng)理解成局 限于這里給出的實(shí)施方式，更確切地說，提供這些實(shí)施方式，使得本披露 完全徹底，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分表達(dá)本發(fā)明的范圍。文中相同的標(biāo)號 始終指示相同的構(gòu)件。
現(xiàn)在參照附圖，具體參照圖1，其中示出了由根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式 的復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件10。具體地，構(gòu)件10的復(fù)合材料包括纖維相和 基體相。纖維相由多個(gè)纖維增強(qiáng)構(gòu)件12(圖1中用沿結(jié)構(gòu)構(gòu)件IO縱向延伸 的虛線圖示其中的三個(gè))加以限定，而基體相則由其中布置纖維增強(qiáng)構(gòu)件 12的基體材料14加以限定。例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)件IO可以由多個(gè)細(xì)長帶(或者 "繩")形成，其中該細(xì)長帶被布置、壓實(shí)、硬化成期望的配置。增強(qiáng)構(gòu)件 12可以布置成單纖維、股、編織物、機(jī)織織物或非織氈等，它們由諸如玻 璃絲、金屬、礦物、導(dǎo)電或非導(dǎo)電石墨或碳、尼龍、芳族聚酰胺(諸如Kevlar , E丄du Pont de Nemours and Company的注冊商標(biāo))等材料形成。其中布置有 增強(qiáng)構(gòu)件12的基體相14可以包括不同材料，諸如熱塑性或熱固性聚合樹 脂。示例性的熱固性樹脂包括烯丙醇酯樹脂、醇酸聚酯樹脂、雙馬來酰亞 胺樹脂(BMI)、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯樹脂(PUR)、聚 脲曱醛樹脂、氰酸酯樹脂、以及乙烯基酯樹脂。示例性的熱塑性樹脂包括
液晶聚合物(LCP);氟塑料，包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)、 全氟烷氧基樹脂(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、以及聚四氟乙烯-全氟 曱基乙烯基醚(MFA);酮基樹脂，包括聚醚酮(PEEKTM，英國Lancashire 州Thorntons Cleveleys市Victrex PLC公司的商標(biāo))；聚酰胺，諸如尼龍-6/6, 30%玻璃纖維；聚醚砜(PES);聚酰胺酰亞胺(PAI),聚乙烯(PE);聚酯 熱塑性塑料，包括聚對苯二曱酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二酯 (PET)、以及聚乙烯(亞苯基對苯二酸酯)；聚砜樹脂(PSU);聚乙烯(亞 笨基硫化物)(PPS )。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件10的特征在于臨界載荷容量，即，如下臨界載荷構(gòu)件10 的各部分能承受比該臨界載荷低的載荷，而不會帶來損壞不穩(wěn)定性或失效。 臨界載荷取決于諸如形成構(gòu)件的材料等的因素。例如，在如圖l所示的復(fù)
合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況下，臨界載荷由纖維和基體材料的類型、纖維和基體相 的相對量、纖維相在基體相中的配置、復(fù)合構(gòu)件的尺寸和配置、施加的載 荷的類型、構(gòu)件所暴露的其他條件等等確定。根據(jù)在復(fù)合構(gòu)件工作或使用 期間所期望的實(shí)際載荷，可以對復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以達(dá)到預(yù) 定臨界載荷容量。由此，根據(jù)本發(fā)明，可以按分析方式確定臨界載荷容量， 而不破壞構(gòu)件。例如，在制造復(fù)合構(gòu)件之前，可以確定構(gòu)件的臨界載荷容 量，從而減少或者省略構(gòu)件的后續(xù)破壞'性觀'j試。
根據(jù)構(gòu)件要保持能量的容量，并通過使用應(yīng)變不變量失效理論(這里 稱為"SIFT，，)，可以確定臨界載荷容量。在Jonathan H. Gosse的"A Damage Functional Methodology for Assessing Post-Damage Initiation Environments in Composite Structure" ， AIAA - 2004-1788, 45th AIAA/ASME/ASC Structures, Stuctural Dynamics & Materials Conference, April 19-22, 2004, Palm Springs, California中對SIFT進(jìn)行了進(jìn)一步描述。如這里所述，SIFT可以用于分析 復(fù)合材料和粘合組件中損壞的起始(initiation),并且可以應(yīng)用于層狀堆疊順 序、結(jié)構(gòu)幾何形狀、加載以及邊界條件等的不同配置。特別地，SIFT可以 用于分析由結(jié)構(gòu)構(gòu)件形狀的變化("畸變")和/或結(jié)構(gòu)構(gòu)件體積的變化("膨 脹")所引起或指示的損壞起始。由此，SIFT考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基體和纖維的 畸變及膨脹。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的損壞起始，通常用與每個(gè)纖維和基體相相關(guān)聯(lián)的臨界應(yīng) 變不變量也就是作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的特征的臨界應(yīng)變值來表示。例如，復(fù)
合結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以通過鋪設(shè)、壓實(shí)以及硬化多個(gè)細(xì)長復(fù)合帶而形成，每個(gè)帶 具有布置在基體材料中的纖維，通常使纖維沿帶的方向縱向延伸。這樣的 復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基體相內(nèi)的損壞起始，通常用兩個(gè)臨界應(yīng)變不變量J,tiea' 和S翻Miseserit^表示，它們是基體材料的特征，而纖維相中的損壞通常用一 個(gè)臨界應(yīng)變不變量Sf'b 。n Mises"it^表示，其為纖維增強(qiáng)材料的特征。/ ， Miseser,實(shí)際上是基體相的sv。n Misese"tieal的高度局部化的值。此臨界不變量的 值是通過分析乘積形式的纖維為主的失效來進(jìn)行推斷的，所以表示為ef'b 。n Miseseritieal。因此，通過比較基體相的應(yīng)變不變量J,、 S顆M^與關(guān)于基體相的 各臨界應(yīng)變不變量J,ti氣Sv。nMisesCTitieal,并比較纖維相的應(yīng)變不變量Sflber
von
Mises與關(guān)于纖維相的各臨界應(yīng)變不變量/lb 。n Mises"itieal，可以確定應(yīng)變的臨 界狀態(tài)(也就是，應(yīng)變是否將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的永久性損壞):
<formula>formula see original document page 10</formula>
應(yīng)變不變量定義為
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，^、 &和e3是主應(yīng)變。
即，對于由結(jié)構(gòu)構(gòu)件限定的多個(gè)高斯點(diǎn)的每一個(gè)，估計(jì)應(yīng)變不變量， 以確定如何劃分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)應(yīng)變能，即，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)應(yīng)變能 中多少被保持(例如，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)變)、以及多少被分散(例如， 作為損壞)。要確定此估值的高斯點(diǎn)可以使用精確的程序或"診斷，，來選擇。
具體地，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)應(yīng)變能可以使用下列廣義等式進(jìn)行劃分 化C咖TieED](尸,，6) (6)
<formula>formula see original document page 10</formula>(7)
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中
i對應(yīng)于主材才牛方向(4—23、 5—13、 6—12); ETi擴(kuò)展為總能量的6個(gè)應(yīng)變能分量； Ed是所有分散能量的集合；
的各分量相關(guān)聯(lián)的顯損壞函數(shù)；以及vM表示von Mises。
損壞函數(shù)可以是變形的當(dāng)前狀態(tài)和損壞的當(dāng)前狀態(tài)以及其他變量的函 數(shù)，所有這些都用《包含代表。由于它們的估值所涉及的許多變量以及它們 的各種相互作用，顯損壞函數(shù)\|/"*)在這一 時(shí)間點(diǎn)可以看成不確定的。
通過用隱損壞函數(shù)6^替換顯損壞函數(shù)Vi(^),可以對最大能量保持 (MER)的顯形式進(jìn)行近似，從而得出以下
j^j,由'—wetieed](i=16) (9)
eVNaevMcritica'"^i『M ETi e ED] (i=1,6) (10) SllbervM^bervMeritiea'—[Wf'ber'EvMETie ED] (i=1,6) (l])
MER通常是數(shù)值積分的最大值，因而
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中
5i對應(yīng)于變形的總當(dāng)前狀態(tài)，以及
E/是全部保持能量的集合(這里co代表基體能量、纖維能量或總能量)。 隱損壞函數(shù)《ip0包括賦值函數(shù)&和內(nèi)分層函數(shù)(intralaminar functional) 卩0。賦值函數(shù)為O或l,表示應(yīng)變不變量的臨界值的實(shí)現(xiàn)，將導(dǎo)致總能量的 所有特定能量分量到布置能量集合或者所有特定能量分量到保持集合的劃 分。也就是，與具有臨界值的各高斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的所有能量通常被劃分為分 散能量，而與具有非臨界值的各高斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的所有能量則劃分為保持能 量。內(nèi)分層函數(shù)是薄板特性的函數(shù)(例如，對于單向乘積形式，Eu、 E22、
<formula>formula see original document page 11</formula>M,se，tiea'和變形的當(dāng)前狀態(tài)，其中E是線性彈性模量，G是扭轉(zhuǎn)彈性模量，
u是泊松比，a是熱脹系數(shù)。結(jié)果，^是復(fù)合乘積形式的有效內(nèi)在材料特性
的函數(shù)(也就是，純乘積形式，諸如單向帶狀薄板)。薄板特性在隱損壞函
數(shù)公式中不使用。內(nèi)分層損壞函數(shù)也是變形的當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)，所以是變
量而不是常數(shù)。
一旦滿足方程(12),內(nèi)分層損壞函數(shù)在方程(12)的變形狀態(tài)下工作， 以獲得與不可逆轉(zhuǎn)地變形的復(fù)合結(jié)構(gòu)的峰值容量(或損壞不穩(wěn)定的開始) 相對應(yīng)的最終變形狀態(tài)。內(nèi)分層損壞函數(shù)人，可以是有效薄板固有材料特性 和導(dǎo)出實(shí)體(諸如分散能量和從其分散能量的體積)二者的函數(shù)。所以，
內(nèi)分層損壞函數(shù)九也是變量。
可以使用人工智能方法和系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)SIFT,例如執(zhí)行MER分析。具體 地，人工智能裝置或模塊可以設(shè)置有問題陳述和支持信息，以適當(dāng)定義所 要解決的問題，也就是，用于解析MER分析的方程、隱損壞函數(shù)、以及用 于其實(shí)現(xiàn)方式的規(guī)則和策略。
為了獲得給定變形的復(fù)合結(jié)構(gòu)的極限載荷容量(關(guān)于損壞不穩(wěn)定的載 荷環(huán)境)，對能量域(即，包圍對于損壞不穩(wěn)定性評估的應(yīng)變定位的域)內(nèi) 的各高斯點(diǎn)的應(yīng)變不變量進(jìn)行估算，例如使用上述方程(l) _ (3)和(9)
- (11)。然后，通過隱損壞函數(shù)人，使根據(jù)方程(12)在MER點(diǎn)處的最終 變形配置(DFMER)起作用，以獲得復(fù)合結(jié)構(gòu)的期望變形配置。與復(fù)合結(jié)構(gòu) 的極限載荷容量(或損壞不穩(wěn)定性)相對應(yīng)的變形配置是
DFfinal = DF證X (13)
在以下參考文獻(xiàn)中對SIFT的理論和實(shí)現(xiàn)做了進(jìn)一步描述，各文獻(xiàn)的全 部內(nèi)容在此以引用的方式并入本文"Strain Invariant Failure Theory; Failure Theory and Methodologies for Implementation,"作者Jon Gosse, 可 以獲4尋該文的網(wǎng)址是http:〃www.compositn.net/Downloads/Presentation%20-0/o20Modelling%20-%20Boeing.pdf ; "Damage progression by the element-failure method ( EFM) and strain invariant failure theory ( SIFT )，"作 者T.E.Tay、 S.H,N.Tan、 V.B.C.Tan禾口 J.H.Gosse, Composites Science and Technology 65( 2005 )，935-944,December 2004; "Application of a First Invariant Strain Criterion For Matrix Failure in Composite Material, ，M乍者R.Li、 D.Kelly、 和R.Ness, Journal of Comosite Materials, November 2003,vol.37，no.22 /2003， pp.1977-2000;以及"Methodology for Comosite Durability Assessment,，，作者 Stephen W.Tsai和John L.Townsley， September 2003 SAMPE Technical Gonference， Dayton, Ohio。
下述系統(tǒng)和方法可以用于分析由包括非復(fù)合材料(諸如金屬)的各種 材料等形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。然而，本發(fā)明特別適用于由復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu) 構(gòu)件(如圖1的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件10)的分析和制造，用常規(guī)的方法對其進(jìn)行 分析可能比較困難。
圖2示意性圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式用于分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷容 量的系統(tǒng)20。系統(tǒng)20包括多個(gè)模塊或者組件，它們可以是分開的獨(dú)立裝置、 或者集成為一個(gè)或多個(gè)裝置。例如，系統(tǒng)20可以包括帶有處理器或控制器
22、存儲器24以及輸入/輸出端口的計(jì)算機(jī)，并且系統(tǒng)20可以配置成一個(gè) 或多個(gè)模塊工作。在有些情況下，各模塊可以是計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的可執(zhí)行 部分，也就是存儲在諸如存儲器24的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)軟件程序 的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼部分。各模塊可以與其他模塊分開或集成在一起， 并且，各模塊可以與其他模塊運(yùn)行的裝置在分開或相同的計(jì)算機(jī)或其他裝 置上運(yùn)行。
圖2中還圖示了系統(tǒng)20的各種模塊之間的典型數(shù)據(jù)通信，并在下面進(jìn) 行描述；然而，應(yīng)當(dāng)理解，各模塊可以配置成與其他模塊中的一些或全部 進(jìn)行通信，而且，模塊可以根據(jù)不同通信協(xié)議中的任何一種進(jìn)行通信。傳 送進(jìn)入系統(tǒng)20的、系統(tǒng)20中的、以及來自系統(tǒng)20的數(shù)據(jù)，可以作為文件、 時(shí)變信號等進(jìn)行通信，并且，根據(jù)模塊的配置，可以作為內(nèi)部或外部通信 在模塊之間進(jìn)行通信。例如，在一種實(shí)施方式中，模塊通過以連續(xù)存儲并 及檢索文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，而文件可以存儲在存儲器、軟盤驅(qū)動器等 之中。具體地，各種模塊可以向與控制器22關(guān)聯(lián)的存儲器傳送數(shù)據(jù)或從中 接收數(shù)據(jù)。
如圖2所示，系統(tǒng)20包括輸入/輸出^^塊30,用于接收來自用戶的信 息以及給用戶提供信息。輸入/輸出模塊30可以包括用于接收用戶輸入的輸 入裝置，如鍵盤等，以及用于給用戶顯示信息的視頻監(jiān)視器或其他裝置。 輸入/輸出裝置30可以是獨(dú)立受控的裝置，諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)工作 站?？蛇x擇地，如圖2所示，輸入/輸出裝置可以受控制器22控制，控制器 22可配置成與系統(tǒng)20的其他模塊進(jìn)行通信和/或?qū)ζ溥M(jìn)行控制。
輸入/輸出模塊30配置成向模型生成器模塊32傳送數(shù)據(jù)。因此，模型 生成器模塊32可以配置成經(jīng)由輸入/輸出模塊提供參數(shù)化的用戶界面，用戶 可以借助于該輸入/輸出模塊來輸入模型數(shù)據(jù)以定義結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模型配置。 模型生成器模塊32還可以配置成從用戶接收關(guān)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的所有材料特 性。然而，材料處理器模塊34通常被提供用于從數(shù)據(jù)庫模塊36中接收或 檢索至少一些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫模塊36可以包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫38、 40,使 得用戶無需輸入數(shù)據(jù)。因此，材料處理器模塊34配置成接收或檢索關(guān)于結(jié) 構(gòu)構(gòu)件的數(shù)據(jù)，例如，通過接收來自模塊產(chǎn)生器模塊32的輸入模塊數(shù)據(jù)， 以及通過從數(shù)據(jù)庫模塊36的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫38、 40中檢索對應(yīng)的材料 特性數(shù)據(jù)。材料處理器模塊34可以向系統(tǒng)20的其余部分提供數(shù)據(jù)用于分 析。具體地，可以給分析模塊42、微機(jī)械增強(qiáng)器分析程序包44、 SIFT分析 模塊46和/或概率模塊50提供數(shù)據(jù)。
圖3中圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式用于分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的操作。如圖 所示，模型數(shù)據(jù)通常由用戶使用輸入/輸出模塊30輸入到系統(tǒng)20中。參見 方塊60?；谟脩糨斎氲哪Ｐ蛿?shù)據(jù)，模型生成器32給材料處理器模塊34 提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)值，即，作為被建模的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特征和對結(jié)構(gòu)構(gòu)件建模的 條件的數(shù)據(jù)。材料處理器模塊34從數(shù)據(jù)庫模塊36檢索與模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的 材料相對應(yīng)(即，根據(jù)模型數(shù)據(jù))的材料特性數(shù)據(jù)。參見方塊62。模型數(shù) 據(jù)和材料數(shù)據(jù)被作為分析數(shù)據(jù)提供給分析模塊42,分析模塊42通常執(zhí)行有 限元分析，以生成代表結(jié)構(gòu)構(gòu)件的均質(zhì)分析數(shù)據(jù)。參見方塊64。分析模塊 42還顯示作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的圖形表示的數(shù)據(jù)。參見方塊66。微機(jī)械增強(qiáng)器分 析包模塊44接收均質(zhì)分析數(shù)據(jù)，并生成增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)，其包括增強(qiáng)的一組 應(yīng)變張量。增強(qiáng)應(yīng)變張量是關(guān)于復(fù)合構(gòu)件的失效條件的特征。即，增強(qiáng)應(yīng) 變張量代表在導(dǎo)致構(gòu)件失效的最小條件下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的微機(jī)械行為。參見方 塊68。 SIFT分析模塊46接收增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)的SIFT分析，從 而生成結(jié)果數(shù)據(jù)，其代表在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中導(dǎo)致?lián)p壞不穩(wěn)定性的載荷條件、不 穩(wěn)定性的可能位置、以及不穩(wěn)定性的可能方向和/或行進(jìn)路徑。參見方塊70。 結(jié)果數(shù)據(jù)可以由執(zhí)行概率分析的概率模塊50進(jìn)行進(jìn)一步分析，以確定結(jié)果 數(shù)據(jù)中的可能變化，其可能由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料或復(fù)合方面的概率上的可 能變化、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)方面的變化等而發(fā)生。參見方塊74。由各分 析模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以被存儲和/或報(bào)告，例如，通過將數(shù)據(jù)存儲成計(jì)算機(jī) 文件和/或在視頻監(jiān)視器上向用戶顯示數(shù)據(jù)的圖形表示。參見方塊72。
圖4和圖5更詳細(xì)地示意性示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的用于分析 由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷容量的系統(tǒng)20的選擇部分的工作。如上 所述，模型生成器32接收模型數(shù)據(jù)，通常來自諸如鍵盤、鼠標(biāo)或其他裝置 的輸入/輸出模塊30,或者來自預(yù)先枸造的數(shù)據(jù)文件。參見方塊80。模型數(shù) 據(jù)可以包括構(gòu)件的物理結(jié)構(gòu)的信息特征，諸如構(gòu)件的幾何形狀；形成構(gòu)件 的特定材料；材料的配置，諸如復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基體材料中纖維的層的結(jié) 構(gòu)、尺寸、數(shù)量以及布局；以及構(gòu)件的層、層板或其他部分的結(jié)構(gòu)、尺寸、 數(shù)量以及布局。另外，模型數(shù)據(jù)可以包括載荷數(shù)據(jù)，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷條 件的信息特征，諸如施加于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載荷或力的幅度、位置、方向和定
時(shí)(timing);結(jié)構(gòu)構(gòu)件所暴露于的熱條件的幅度、位置和定時(shí)，諸如存在于 構(gòu)件一端或多端的熱邊界條件；結(jié)構(gòu)構(gòu)件所在環(huán)境中的濕度或其他條件的 幅度、位置、定時(shí)和類型；以及復(fù)合構(gòu)件的其他特征，其環(huán)境及其使用。
經(jīng)由輸入/輸出模塊30，模型生成器可以提供參數(shù)化的用戶界面，例如 圖形用戶界面，用戶可以用其定義關(guān)于復(fù)合構(gòu)件模型的各種預(yù)定義參數(shù)的 值，包括但不局限于關(guān)于形狀、幾何結(jié)構(gòu)以及復(fù)合構(gòu)件模型的復(fù)合方式的 參數(shù)，以及作為時(shí)間的函數(shù)的施加于復(fù)合構(gòu)件模型的每個(gè)載荷、溫度、濕 度和其他條件。
基于用戶輸入，模型生成器模塊32向材料處理器模塊34提供設(shè)計(jì)基 礎(chǔ)值，包括復(fù)合構(gòu)件的纖維和基體材料；構(gòu)件的層板、纖維和/或其他組 分的數(shù)量及配置；以及代表復(fù)合構(gòu)件的測試或使用條件的值，諸如使用的 時(shí)間或持續(xù)時(shí)間、濕度規(guī)范、溫度規(guī)范以及載荷規(guī)范。參見方塊82。
材料處理器模塊34接收來自模型生成器模塊32的輸入模型數(shù)據(jù)，并 從一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)庫38、 40中檢索材料特性數(shù)據(jù)。參見方塊84?；静牧?數(shù)據(jù)庫38包含關(guān)于可形成復(fù)合構(gòu)件的一種或多種材料的材料特性的信息。 參見方塊86。存儲在基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)庫38中的數(shù)據(jù)可以根據(jù)物理測試所得到 的測試數(shù)據(jù)生成。參見方塊94。對于各種類型的復(fù)合材料，測試數(shù)據(jù)可以 包括如下信息復(fù)合材料的纖維和樹脂的名稱；復(fù)合材料單位體積中的纖 維體積；復(fù)合材料處于基本無應(yīng)變的溫度；關(guān)于單向復(fù)合材料的載荷與應(yīng) 變之間的增量關(guān)系；代表具有不同纖維取向的單向試件的典型失效應(yīng)變的 值。參見方塊92。
臨界值計(jì)算器模塊配置成接收機(jī)械單向測試數(shù)據(jù)，并使用該測試數(shù)據(jù) 生成復(fù)合材料的臨界應(yīng)變不變量值。參見方塊90。具體地，通過進(jìn)行單向 測試試樣的測試，并在失效位置處求解上述方程(1 ) - (3)，可以經(jīng)驗(yàn)地 確定臨界應(yīng)變不變量值。
因此，除了任何測試數(shù)據(jù)之外，基本材料數(shù)據(jù)庫38可被提供有與各材 料的如下特性相對應(yīng)的值纖維模量，即復(fù)合材料的纖維的彈性模量；基 體模量，即復(fù)合材料的基體材料的彈性模量；代表各纖維和基體材料的熱 脹系數(shù)；代表各纖維和基體材料的泊松比；復(fù)合材料的纖維和/或?qū)影寤驅(qū)?的厚度或者其他幾何形狀；材料處于無應(yīng)變時(shí)的復(fù)合材料的溫度；以及關(guān) 于材料的臨界應(yīng)變不變量。參見方塊88。存儲在基本材料數(shù)據(jù)庫中的這些
或其他值，可以由臨界值計(jì)算器通過經(jīng)驗(yàn)地確定(如通過材料測試)的值 的人工或自動輸入、通過理論確定的值的人工或自動輸入或通過其他方法 來加以提供。
加速壽命材料數(shù)據(jù)庫40包含通常代表基本材料特性的變化的信息，
諸如由于包括時(shí)間消逝的壽命條件而可能出現(xiàn)的特性的變化；暴露的環(huán)境 條件諸如濕度、靜態(tài)溫度或循環(huán)溫度變化；以及物理載荷特性包括載荷的 幅度和頻率。參見方塊96。存儲在加速壽命材料數(shù)據(jù)庫40中的數(shù)據(jù)，可以 根據(jù)從物理測試(即加速壽命材料測試)得到的測試數(shù)據(jù)生成，如圖4所 示。參見方塊104。例如，測試數(shù)據(jù)可以包括材料名稱、以及代表在不同條 件下(諸如暴露于大氣條件、加載等之后)被測試的各種材料的材料特性 的相關(guān)值。參見方塊102。
為生成存儲在加速壽命材料數(shù)據(jù)庫40中數(shù)據(jù)所進(jìn)行的材料測試的結(jié) 果，可以在疊合曲線(mastercurve)生成器模塊中進(jìn)行處理。參見方塊100。 特別地，疊合曲線生成器模塊可以生成疊合曲線，其結(jié)合了修正因子以考 慮材料的各個(gè)壽命條件。例如，疊合曲線可以提供修正因子，用于修正各 不同材料的臨界應(yīng)變不變量、泊松比、彈性模量以及熱脹系數(shù)，以對壽命 條件諸如老化(age)、對溫度的暴露、或者對載荷的暴露進(jìn)行調(diào)整。參見方 塊98。疊合曲線生成器可以計(jì)算這樣的修正因子和疊合曲線，例如，通過 從壽命材料測試外推數(shù)據(jù)，使得疊合曲線生成器可以生成關(guān)于未經(jīng)測試的 壽命條件的修正因子和曲線數(shù)據(jù)，諸如長期暴露于特定和/或極端溫度、濕 度或載荷條件。在有些情況下，這些和其他的曲線或數(shù)據(jù)可以另外提供并 存儲在加速壽命材料數(shù)據(jù)庫中，例如，由經(jīng)驗(yàn)地確定如通過材料測試確定 的值的人工或自動輸入、由理論確定的值的人工或自動輸入或由其他方法 來加以提供。加速壽命材料數(shù)據(jù)庫40和基本材料數(shù)據(jù)庫38在有些實(shí)施方 式中也可以由單個(gè)組合數(shù)據(jù)庫提供。
因此，模型生成器模塊32和材料處理器模塊34配置成提供代表復(fù)合 構(gòu)件的特定配置和工作條件的數(shù)據(jù)，使得該數(shù)據(jù)可以用來執(zhí)行建模操作。 由此，模型生成器模塊32和材料處理器模塊34配置成向分析模塊42傳送 分析數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)通常包括關(guān)于幾何形狀、載荷、位移、溫度等的信息。 參見方塊IIO。分析數(shù)據(jù)可以包括關(guān)于各使用條件的規(guī)范，并且各規(guī)范可以 表明在一段特定使用時(shí)期上一個(gè)或多個(gè)條件的變化，諸如載荷規(guī)范表明間
隙性載荷或者在時(shí)間上不均勻的載荷。分析數(shù)據(jù)可以由^^莫型生成器模塊32
和材料處理器模塊34之一或二者提供。例如，如圖4所示，模塊生成器模 塊32可以提供一部分分析數(shù)據(jù)，如與幾何形狀、位移和溫度有關(guān)的數(shù)據(jù)， 而材料處理器模塊34則可以提供其余數(shù)據(jù)，如材料特性。參見模塊106、 108?？蛇x擇地，數(shù)據(jù)也可以用其他方法提供，如由用戶人工輸入，或者來 自另一基于計(jì)算機(jī)的分析工具的自動輸入。在任何情況下，可以根據(jù)加速 壽命值(如由疊合曲線生成器生成的疊合曲線)對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以反映 由延長的時(shí)間消逝、暴露于特定環(huán)境條件等所導(dǎo)致的材料特性的變化。
分析數(shù)據(jù)被傳送或者以其他方式提供給分析模塊42,分析模塊42通常 執(zhí)行分析數(shù)據(jù)的均質(zhì)材料分析。例如，分析模塊42可以是用于執(zhí)行有限元 分析的各種常規(guī)計(jì)算機(jī)軟件包的任何一種，諸如從ESRD, Inc.可以購得的 StressCheck、從Canonsburg， PA的ANSYS, Inc.可以購得的分析程序等。如 圖4所示，分析模塊42可以包括一種或多種分析工具，諸如"h元"有限元 建模軟件包、或"p元，，有限元建模軟件包，這些軟件包在業(yè)界都是已知的。 參見方塊112、 114。借助于"均質(zhì)材料分析"，意味著分析模塊將復(fù)合構(gòu)件 建模為具有均質(zhì)或均勻的層或部分，即使被建模的實(shí)際復(fù)合構(gòu)件在各層或 部分內(nèi)可能是不均勻的，例如，包括具有明顯不同的特性的纖維、基體材 料、三維編織等。參見方塊116。均質(zhì)數(shù)據(jù)通常包括分析數(shù)據(jù)以及復(fù)合構(gòu)件 的各層或?qū)影宓乃泄?jié)點(diǎn)或高斯點(diǎn)的應(yīng)變張量的完整集合(機(jī)械、熱二者 等)。
然后，分析模塊42將均質(zhì)分析數(shù)據(jù)傳送至微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44。 另外，分析模塊42或者微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44還可以提供可視化能 力，例如，通過圖示復(fù)合構(gòu)件施加的載荷或其他條件、由該載荷和條件在 復(fù)合構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變、失效點(diǎn)和模式等的圖形表示?？梢栽谳斎? 輸出模塊30的視頻監(jiān)視器(如陰極射線管或液晶顯示器)上直接向用戶提 供圖形表示，使得用戶可以確認(rèn)輸入的模型和條件的特征和/或反復(fù)修改模 型或條件。
微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44接收均質(zhì)數(shù)據(jù)并生成增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)。參見 方塊118。具體地，微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44生成應(yīng)變張量的增強(qiáng)集合， 其反映在用戶定義的熱邊界條件下復(fù)合材料的纖維和基體的交互微機(jī)械行 為。參見方塊120。另外，微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44生成應(yīng)變張量的增
強(qiáng)集合，其反映在纖維或基體開始失效所必需的機(jī)械條件下纖維和基體的 交互微機(jī)械行為。具體地，微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44確定失效所需的最
小條件和首先失效的位置。由微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊44傳送的增強(qiáng)分析
數(shù)據(jù)，除被增強(qiáng)以反映纖維和基體材料的交互微機(jī)械行為的應(yīng)變張量(機(jī) 械的、熱的等)之外，通常包括均質(zhì)分析數(shù)據(jù)。也提供了用于確定為對應(yīng) 于失效開始的條件的應(yīng)變張量。
通過分析明確包含感興趣的基體和纖維材料的復(fù)合材料的代表體積， 確定增強(qiáng)因子，其用于從均質(zhì)數(shù)據(jù)生成關(guān)于復(fù)合材料的增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)。代 表體積通常包括所有在感興趣的復(fù)合構(gòu)件中代表復(fù)合系統(tǒng)中所有材料所必 須的所有特性，例如，線彈性模量和扭轉(zhuǎn)彈性模量、熱脹系數(shù)、泊松比、 構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)中的每種材料的體積分?jǐn)?shù)、任何各向異性材料的方向性等。 然后，在感興趣的載荷條件(如施加的位移、載荷或二者)、以及溫度變化 下，可以對此代表體積進(jìn)行分析，以確定在代表體積的不同材料元內(nèi)在選 定位置處的應(yīng)變放大率。然后，將在與六張量應(yīng)變狀態(tài)以及溫度變化對應(yīng) 的各載荷條件下代表體積的不同材料元中選定位置處的這些被放大的應(yīng)變 進(jìn)行正規(guī)化，并使用其作為用于分析的微機(jī)械增強(qiáng)因子。使用這些因子， 通過將均質(zhì)應(yīng)變乘以復(fù)合系統(tǒng)中各感興趣的位置(例如在復(fù)合纖維和基體 材料內(nèi)部)的增強(qiáng)因子，將均質(zhì)分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)，以確定在 復(fù)合構(gòu)件中各感興趣的位置處的增強(qiáng)應(yīng)變值。
增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)可以提供給SIFT分析模塊48,諸如最大能量保持(MER ) 分析模塊，其配置為分析增強(qiáng)數(shù)據(jù)以生成結(jié)果數(shù)據(jù)。參見方塊122。 SIFT 分析模塊48接收關(guān)于感興趣的結(jié)構(gòu)內(nèi)的多個(gè)高斯點(diǎn)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)，并使用該 數(shù)據(jù)以求解如上所述的方程9- 12。該模塊48求出存在于纖維內(nèi)各感興趣 的位置處的增強(qiáng)應(yīng)變的完整集合，并比較所得出的應(yīng)變不變量與臨界應(yīng)變 不變量，以確定在復(fù)合構(gòu)件內(nèi)的特定位置上是否存在損壞。
如果想得到關(guān)于損壞行進(jìn)而不是簡單的損壞存在的分析信息，有可能 以迭代或漸進(jìn)的方式評定損壞行進(jìn)。這需要用于表示特定位置中損壞的存 在、并在適當(dāng)考慮損壞的存在的情況下重復(fù)分析的方法。有幾種可能的方 法用于執(zhí)行這類迭代分析，T.E.Tay、 S.H.N.Tan、 V.B.C.Tan和J.H.Grosse 的"Damage progression by the element-failure method (EFM) and strain invariant failure theory (SIFT)"中概述了其中之一 ，上文已對其加以引用。在SIFT分析模塊48中執(zhí)行的分析的結(jié)果被作為結(jié)果數(shù)據(jù)而從各個(gè)模 塊輸出。參見方塊124。結(jié)果數(shù)據(jù)可以輸出給用戶和/或分析模塊42,例如， 用于存儲為數(shù)據(jù)文件，或者用于利用分析模塊42的圖形顯示能力來生成結(jié) 果數(shù)據(jù)的圖形表示。
結(jié)果數(shù)據(jù)也可以提供給概率模塊50。參見方塊126。概率模塊50通常 識別由于制造、安裝和/或材料變化而在復(fù)合構(gòu)件中產(chǎn)生的可能變化對結(jié)果 數(shù)據(jù)的影響。例如，概率模塊50可以存儲或者概率地確定復(fù)合構(gòu)件的纖維 和基體相的材料的可能變化、纖維相材料的量或配置的變化、構(gòu)件的整體 形狀或配置的變化等。于是，概率模塊50可以執(zhí)行復(fù)合構(gòu)件的分析，例如， 使用其他分析模塊42、 44、 46,假定不同的概率可能變化。因此，可以確 定并存儲增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)、以及關(guān)于這些可能變化的每一種的結(jié)果數(shù)據(jù)。概 率模塊50可以使用增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)來確定什么載荷條件在統(tǒng)計(jì)學(xué)上最可能導(dǎo) 致失效起始，使用SIFT結(jié)果數(shù)據(jù)來確定什么載荷條件在統(tǒng)計(jì)學(xué)上最可能導(dǎo) 致?lián)p壞不穩(wěn)定性或傳播，以及當(dāng)將可能變化結(jié)合到模型中時(shí)損壞不穩(wěn)定性 或傳播的可能方向和/路徑。來自概率模塊50的輸出數(shù)據(jù)可以提供成分析文 件，也可以將其存儲或經(jīng)由輸入/輸出模塊30報(bào)告給用戶。
在有些情況下，系統(tǒng)20可以配置成自動調(diào)整已建模的復(fù)合構(gòu)件的屬性 并據(jù)此重新分析該構(gòu)件。例如，在方塊124處計(jì)算了結(jié)果數(shù)據(jù)或者在方塊 126處從概率模塊50輸出之后，系統(tǒng)20可以自動調(diào)整模型數(shù)據(jù)，以反映對 復(fù)合構(gòu)件的尺寸、復(fù)合構(gòu)件的材料、構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)等的調(diào)整。這種調(diào)整 通常由模型生成器32或者分析模塊42、 44、 46、 50之一執(zhí)行，或者也可 以由控制器22的另 一部分或單獨(dú)的裝置執(zhí)行。系統(tǒng)然后可以返回到方塊80, 以使用調(diào)整過的模型數(shù)據(jù)重新分析復(fù)合構(gòu)件。因此，系統(tǒng)20可以配置成迭 代地分析并調(diào)整模型數(shù)據(jù)，直至提供達(dá)到預(yù)定準(zhǔn)則(如對于給定的概率可 能變化的最小載荷容量、以及諸如重量或尺寸標(biāo)準(zhǔn)的模型數(shù)據(jù)的偏好)的 一組模型數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的說明和相關(guān)附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以受到啟發(fā)而對本 發(fā)明加以改進(jìn)。所以，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于所披露的特定實(shí)施方式， 其改進(jìn)以及其他實(shí)施方式也包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。盡管在此采用 了特定術(shù)語，但只是在一般敘述意義上加以使用而非出于限制的目的。
權(quán)利要求
1.一種用于分析復(fù)合構(gòu)件的載荷容量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括輸入/輸出模塊，用于從用戶接收模型數(shù)據(jù)；模型生成器模塊，配置成經(jīng)由所述輸入/輸出模塊提供界面，以及從所述輸入/輸出模塊接收所述模型數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫模塊，包括關(guān)于多個(gè)復(fù)合材料的材料特性的至少一個(gè)數(shù)據(jù)庫；材料處理器模塊，配置成從所述模型生成器模塊接收所述模型數(shù)據(jù)，以及從所述數(shù)據(jù)庫模塊中檢索對應(yīng)的材料特性數(shù)據(jù)；分析模塊，配置成根據(jù)來自所述材料處理器模塊的所述材料特性數(shù)據(jù)執(zhí)行所述模型數(shù)據(jù)的有限元分析，以生成代表所述復(fù)合構(gòu)件的均質(zhì)分析數(shù)據(jù)，包括關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的高斯點(diǎn)的應(yīng)變張量的集合；微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊，配置成接收所述均質(zhì)分析數(shù)據(jù)并生成增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)，所述增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)包括關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的失效條件的應(yīng)變張量特征的增強(qiáng)集合；以及SIFT分析模塊，配置成接收所述增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)并使用分析的應(yīng)變不變量失效理論，以生成代表所述復(fù)合構(gòu)件中導(dǎo)致?lián)p壞不穩(wěn)定性的載荷條件的結(jié)果數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括概率模塊，配置成確定所述結(jié)果數(shù)據(jù)中由于由以下構(gòu)成的群組中的一 個(gè)或多個(gè)而使得在概率上可能發(fā)生的至少一個(gè)變化所述復(fù)合構(gòu)件的材料 的變化和所述復(fù)合構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)的變化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述SIFT分析模塊配置成生成 結(jié)果數(shù)據(jù)，所述結(jié)果數(shù)據(jù)包括由以下構(gòu)成的群組中的至少一個(gè)所述不穩(wěn) 定性行進(jìn)的可能方向和路徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述材料處理器模塊被配置成 提供關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的所述復(fù)合材料的至少 一個(gè)纖維相臨界應(yīng)變不變 量，以及，所述分析模塊、所述微機(jī)械增強(qiáng)器分析包模塊和所述SIFT分析 模塊被配置成對不同預(yù)定載荷重復(fù)下列步驟，從而計(jì)算與最大能量保持相 對應(yīng)的臨界載荷確定關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的多個(gè)基體相應(yīng)變不變量值，每個(gè) 基體相應(yīng)變不變量值對應(yīng)于由于在所述復(fù)合構(gòu)件上的預(yù)定載荷所致的所述復(fù)合構(gòu)件的基體相的多個(gè)高斯點(diǎn)之一 的應(yīng)變條件；確定關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的多個(gè)纖維相應(yīng)變不變量值，每個(gè) 纖維相應(yīng)變不變量值對應(yīng)于由于在所述復(fù)合構(gòu)件上的所述預(yù)定載荷所致的 所述復(fù)合構(gòu)件的纖維相的多個(gè)高斯點(diǎn)之 一 的應(yīng)變條件；比較每個(gè)基體相應(yīng)變不變量值與所述基體相臨界應(yīng)變不變量，并比較 每個(gè)纖維相應(yīng)變不變量值與所述纖維相臨界應(yīng)變不變量，以識別關(guān)于所述預(yù)定載荷的每個(gè)高斯點(diǎn)的臨界狀態(tài)；以及確定關(guān)于所述預(yù)定載荷的總應(yīng)變能的劃分，根據(jù)所述高斯點(diǎn)的所述臨 界狀態(tài)，將所述總應(yīng)變能在保持能量和分散能量之間進(jìn)行劃分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述SIFT分析模塊被配置成劃 分與每個(gè)臨界高斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變能作為分散能量、以及與每個(gè)非臨界高 斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變能作為保持能量，從而確定所述總應(yīng)變能的劃分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述SIFT分析模塊被配置成通過基于所述復(fù)合構(gòu)件的薄板特性、根據(jù)隱損壞函數(shù)來確定最大能量保持， 以計(jì)算所述臨界載荷。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述SIFT分析模塊被配置成通 過根據(jù)所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保持能量對于所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)應(yīng)變能的比來確 定損壞函數(shù)，以計(jì)算所述臨界載荷。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置成調(diào)整所述模 型數(shù)據(jù)，以根據(jù)所計(jì)算出的載荷容量調(diào)整所述復(fù)合構(gòu)件的尺寸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)庫模塊包括多個(gè)數(shù)據(jù) 庫，至少一個(gè)所述數(shù)據(jù)庫包括加速壽命材料信息，所述加速壽命材料信息 代表由于由以下構(gòu)成的群組中的至少 一 個(gè)所導(dǎo)致的所述材料特性方面的變 化時(shí)間消逝、暴露于濕度、暴露于溫度、以及物理載荷。
10. —種用于分析復(fù)合構(gòu)件的載荷容量的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī) 程序產(chǎn)品包括其中存儲有計(jì)算機(jī)可讀程序代碼部分的計(jì)算機(jī)可讀存儲介 質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀程序代碼部分包括第一可執(zhí)行部分，用于接收模型數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)，所述模型數(shù)據(jù)是所 述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配置和載荷條件的特征，以及所述材料數(shù)據(jù)是所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件 材料的材料特性的特征； 第二可執(zhí)行部分，用于分析所述模型數(shù)據(jù)并生成分析數(shù)據(jù)，所述分析數(shù)據(jù)包括關(guān)于所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變張量；第三可執(zhí)行部分，用于生成增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)，所述增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)包括代表所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料的臨界應(yīng)變不變量值；以及第四可執(zhí)行部分，用于分析所述增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)以生成結(jié)果數(shù)據(jù)，所述 結(jié)果數(shù)據(jù)代表導(dǎo)致所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件中損壞不穩(wěn)定性的載荷條件和不穩(wěn)定性的 可能位置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括 第五可執(zhí)行部分，用于執(zhí)行所述結(jié)果數(shù)據(jù)的概率分析，以確定由于由以下構(gòu)成的群組中的至少一個(gè)的可能變化所導(dǎo)致的所述結(jié)果數(shù)據(jù)的變化 所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料和所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述第四可執(zhí)行 部分被配置成生成包括由以下構(gòu)成的群組中的至少一個(gè)的結(jié)果數(shù)據(jù)所述 不穩(wěn)定性的所述可能方向和行進(jìn)路徑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述第二、第三 和第四可執(zhí)行部分被配置成執(zhí)行下列步驟提供關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的至少 一個(gè)基體相臨界應(yīng)變不變量；提供關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的至少 一 個(gè)纖維相臨界應(yīng)變不變量；確定關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的多個(gè)基體相應(yīng)變不變量值，每個(gè) 基體相應(yīng)變不變量值對應(yīng)于由于在所述復(fù)合構(gòu)件上的預(yù)定載荷所致的所述 復(fù)合構(gòu)件的基體相的多個(gè)高斯點(diǎn)之一 的應(yīng)變條件；確定關(guān)于所述復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料的多個(gè)纖維相應(yīng)變不變量值，每個(gè) 纖維相應(yīng)變不變量值對應(yīng)于由于在所述復(fù)合構(gòu)件上的所述預(yù)定載荷所致的 所述復(fù)合構(gòu)件的纖維相的多個(gè)高斯點(diǎn)之一 的應(yīng)變條件；比較每個(gè)基體相應(yīng)變不變量值與所述基體相臨界應(yīng)變不變量，并比較 每個(gè)纖維相應(yīng)變不變量值與所述纖維相臨界應(yīng)變不變量，以識別關(guān)于所述預(yù)定載荷的每個(gè)高斯點(diǎn)的臨界狀態(tài)；確定關(guān)于所述預(yù)定載荷的總應(yīng)變能的劃分，根據(jù)所述高斯點(diǎn)的所述臨 界狀態(tài)，將所述總應(yīng)變能在保持能量和分散能量之間進(jìn)行劃分；以及 對于增大的預(yù)定載荷重復(fù)所述確定步驟和所述比較步驟，并且計(jì)算與 最大能量保持相對應(yīng)的臨界載荷。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述確定劃分的 步驟包括劃分與每個(gè)臨界高斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變能作為分散能量、以及與 每個(gè)非臨界高斯點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變能作為保持能量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述計(jì)算臨界載 荷的步驟包括基于所述復(fù)合構(gòu)件的薄板特性、根據(jù)隱損壞函數(shù)，確定最大 能量保持。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述計(jì)算步驟包 括根據(jù)所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保持能量對于所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)應(yīng)變能的比確定 損壞函數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括第五可執(zhí)行部分， 用于根據(jù)所計(jì)算出的載荷容量調(diào)整所述復(fù)合構(gòu)件的尺寸。
18. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述第一可執(zhí)行 部分被配置成接收加速壽命材料信息，所述加速壽命材料信息代表由于由 以下構(gòu)成的群組中的至少 一個(gè)所導(dǎo)致的所述材料特性方面的變化時(shí)間消 逝、暴露于濕度、暴露于溫度、以及物理載荷。
全文摘要
提供了用于分析復(fù)合構(gòu)件的載荷容量的系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該系統(tǒng)包括用于接收模型數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)的裝置或模塊，模型數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配置和載荷條件的特征，而材料數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的材料特性的特征。分析模型數(shù)據(jù)，以生成包括關(guān)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件多個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變張量的分析數(shù)據(jù)。生成增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)，其包括代表結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的臨界應(yīng)變不變量值。根據(jù)應(yīng)變不變量失效理論對增強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行分析，以生成結(jié)果數(shù)據(jù)，其代表在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中導(dǎo)致?lián)p壞不穩(wěn)定性的載荷條件、以及不穩(wěn)定性的可能位置、方向和/或行進(jìn)路徑。
文檔編號G06F17/50GK101351802SQ200680050263
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者喬納森·H·戈斯, 杰弗里·A·沃爾希拉格 申請人:波音公司