本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計領(lǐng)域，是確定復(fù)合材料沖擊損傷后剩余壓縮強(qiáng)度的分析方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料對許多類型的外來物低速沖擊損傷十分敏感，低速沖擊將大大削弱復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的承壓能力。目前對含有目視勉強(qiáng)可見沖擊損傷的復(fù)合材料損傷容限分析，國內(nèi)一般采用設(shè)定許用應(yīng)變的辦法，根據(jù)設(shè)定的許用應(yīng)變，計算層合板的沖擊后壓縮剩余強(qiáng)度。在該分析方法未研究成功之前，還未有合適的分析方法可全面考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層和厚度的變化及載荷的組合等因素情況對低速沖擊后壓縮剩余強(qiáng)度的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：

提出一種全新的分析方法，有效預(yù)測復(fù)合材料典型構(gòu)件沖擊損傷后的剩余強(qiáng)度，為飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析及驗(yàn)證提供了依據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種復(fù)合材料沖擊損傷后剩余壓縮強(qiáng)度分析方法，有效預(yù)測沖擊損傷對復(fù)合材料層合板剩余強(qiáng)度的影響。

步驟1確定層合板低速沖擊的損傷失效準(zhǔn)則

采用Hanshin失效準(zhǔn)則作為層合板低速沖擊的損傷失效準(zhǔn)則，Hanshin失效準(zhǔn)則定義5個失效系數(shù)：纖維拉伸失效系數(shù)D_ET、纖維 壓縮失效系數(shù)D_EC、基體拉伸失效系數(shù)D_EM、基體壓縮失效系數(shù)D_ED、剪切失效系數(shù)為D_ES，能綜合考慮纖維和基體的拉伸/壓縮失效，并且還單獨(dú)考慮了剪切的損傷。若失效系數(shù)大于1，則表明材料出現(xiàn)了損傷。

纖維拉伸失效：$D_{\mathrm{ET}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{11}}{X_T}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

纖維壓縮失效：

基體拉伸失效：$D_{\mathrm{EM}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{Y_T}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

基體壓縮失效：$D_{\mathrm{ED}}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{2S_{23}}\right)}^2+[{\left(\frac{Y_C}{2S_{23}}\right)}^2-1]\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{22}}{Y_C}\right)+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{12}}{S_{12}}\right)}^2$

剪切失效：

步驟2計算層合板低速沖擊下的損傷面積

采用大型動態(tài)有限元程序DYTRAN，根據(jù)步驟1確定選用的Hanshin失效準(zhǔn)則，建立尺寸為150mm*100mm的層合板有限元模型及直徑為12.7mm的沖擊物有限元模型，層合板受到的沖擊能量為4.45J/mm，沖擊物的沖擊速度為4.15m/s，沖擊物與層合板之間設(shè)置為自適應(yīng)主從接觸，計算層合板在受到該沖擊能量(4.45J/mm)時的損傷區(qū)域直達(dá)寬度及與受力方向垂直的有效損傷直徑，進(jìn)而計算損傷面積。

步驟3計算低速沖擊后層合板的剩余壓縮強(qiáng)度

根據(jù)步驟2確定的損傷面積，對低速沖擊后的損傷區(qū)域進(jìn)行剛度衰減，損傷區(qū)的剛度衰減法用式(1)、式(2)和式(3)表示：

E_11-d＝Mr E₁₁ (1)

E_22-d＝Mr E₂₂ (2)

G_12-d＝Mr G₁₂ (3)

式中：

E₁₁、E₂₂和G₁₂——分別為無損傷層合板的縱向模量、橫向模量及剪切模量；

E_11-d、E_22-d和G_12-d——分別為層合板損傷衰減后的縱向模量、橫向模量及剪切模量；

Mr——模量保持率，取Mr的值為0.15。

首先，建立含損傷區(qū)域的層合板的整體有限元模型，層合板的完好區(qū)域采用無損傷層合板的縱向模量E₁₁、橫向模量E₂₂及剪切模量G₁₂，層合板的損傷區(qū)域采用衰減后的縱向模量E_11-d、橫向模量E_22-d及剪切模量G_12-d，對含損傷區(qū)域的層合板整體模型進(jìn)行總體應(yīng)力分析。

其次，對損傷區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，建立局部有限元模型，以總體應(yīng)力分析得到的位移矢量結(jié)果作為局部有限元模型的邊界條件，進(jìn)行沖擊后壓縮分析計算。根據(jù)計算結(jié)果獲得低速沖擊后層合板的剩余壓縮強(qiáng)度。

根據(jù)上述步驟1、步驟2和步驟3的方法對完成復(fù)合材料沖擊損傷后的剩余強(qiáng)度進(jìn)行計算。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：提出一種全新的分析方法，有效預(yù)測復(fù)合材料典型構(gòu)件沖擊損傷后的剩余強(qiáng)度，為飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析及驗(yàn)證提供了依據(jù)。

附圖說明

圖1為層合板沖擊有限元計算模型

圖2為層合板沖擊后損傷區(qū)域

圖3為有效損傷直徑為21.5mm的層合板計算模型

圖4為局部網(wǎng)格及局部應(yīng)力情況

圖5為飛機(jī)舵面目視勉強(qiáng)可見損傷沖擊部位

其中：1為局部網(wǎng)格，2為局部應(yīng)力情況。

具體實(shí)施方式

飛機(jī)方向舵復(fù)合材料層合板沖擊損傷后剩余強(qiáng)度分析。

1飛機(jī)方向舵復(fù)合材料層合板信息

典型鋪層：(±45)/0₂/(0,90)/0/(±45)/0/(0,90)/0₂/(±45)

厚度：2.427mm

2確定沖擊能量及沖頭直徑

沖擊物選用直徑為12.7mm的鋼球，沖擊物的質(zhì)量為5.5kg，沖擊能量為4.45J/mm。

3建立沖擊損傷計算模型

如圖1所示，層合板尺寸150mm*100mm，采用4節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行模擬，沖擊物采用剛體元進(jìn)行模擬，為提高仿真精度，在沖擊中心區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。層合板邊界為四邊簡支，在沖擊球和層合板之間采用自適應(yīng)主從接觸。為全面表征復(fù)合材料失效模式(復(fù)合材料失效包括：纖維/基體拉伸失效、纖維/基體壓縮失效及剪切失效)，引入Hanshin失效準(zhǔn)則。

4計算層合板低速沖擊下的損傷面積

如圖2所示，通過對(3)所建立的有限元進(jìn)行仿真計算，獲得層合板在4.45J/mm沖擊能量下，損傷區(qū)域直達(dá)寬度約為26mm，與受力方向垂直的有效損傷直徑約為21.5mm，根據(jù)計算獲得損傷面積363mm²。

5計算低速沖擊后層合板的剩余壓縮強(qiáng)度

對低速沖擊損傷的區(qū)域進(jìn)行剛度衰減，模量保持率為15％。

如圖3所示，首先建立損傷直徑為21.5mm的層合板的有限元模型，層合板的完好區(qū)域采用無損傷層合板的縱向模量E₁₁、橫向模量E₂₂及剪切模量G₁₂，層合板的損傷區(qū)域采用衰減后的縱向模量0.15E₁₁、橫向模量0.15E₂₂及剪切模量0.15G₁₂，對含損傷區(qū)域的層合板整體模型進(jìn)行總體應(yīng)力分析。

如圖4所示，對損傷區(qū)域(直徑為21.5mm區(qū)域)進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，建立局部有限元模型，以總體應(yīng)力分析得到的位移矢量結(jié)果作為局部有限元模型的邊界條件，進(jìn)行沖擊后壓縮分析計算。分析結(jié)果：層合板沖擊后剩余強(qiáng)度將有明顯下降，最大下降到原強(qiáng)度的42％。

如圖5所示，本發(fā)明方法已經(jīng)用于確定飛機(jī)復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)沖擊后的剩余強(qiáng)度，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析和取證提供依據(jù)。