一种含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的测算方法

技术领域

本发明属于复合材料技术，涉及一种含冲击损伤复合材料层压板剩余压 缩强度的测算方法。

背景技术

文献[Hiroshi Suemasu，Wataru Sasaki.A Numerical Study on  Compressive Behavior of Composite Plates with Multiple Circular  Delaminations Considering Delamination Propagation[J].Composite  Science and Technology，2008，68(12)：2562-2567.]比较典型的代表 了目前估算含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的方法。该方法是通 过建立有限元模型方法来计算的。具体做法是：

1)根据设想的分层损伤，将层压板划分为若干子层。每层子层用体元 (solid element)模拟；

2)在子层与子层之间使用粘接单元(cohesive element)或虚拟裂纹闭合技 术(Virtual Crack Closure Technique，VCCT)或其他方法，模拟冲击 造成的分层损伤；

3)通过模拟分层损伤的扩展来计算层压板的剩余压缩强度。

然而使用这种方法存在如下缺点：

1)冲击造成的分层损伤几乎存在于任意相邻两铺层之间，且形状不规则。 要在有限元模型中模拟这些分层损伤，是非常困难的；

2)在层压板模型内部设想的位置模拟冲击损伤，这与实际的分层损伤情况 差别很大，影响了计算结果的可信性；

3)按照这种方法建立的有限元模型，需要同时考虑几何非线性、结构稳定 性、接触问题和破坏扩展，导致计算结果收敛困难，计算不易成功。

发明内容

本发明的目的：提供一种能真实反映分层损伤分布情况、建模方便、 计算速度快的含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的测算方法。

本发明的技术方案是：一种含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的 测算方法，其包括如下步骤：

步骤1：无损检测

对含冲击损伤的复合材料层压板受到冲击的表面，进行无损检测，获 取该处损伤在层压板面内的位置信息和在层压板厚度方向上的位置信息；

步骤2：建立层压板有限元模型

建立与被检测复合材料层压板相同构型且与压缩破坏试验相同边界条 件的有限元模型；

步骤3：将无损检测信息输入有限元模型

根据损伤的位置信息在有限元模型中找到对应的位置，将其所处的单 元定义为含损伤单元，将其所处的铺层定义为含损伤铺层，从而将无损检 测信息输入了有限元模型；

步骤4：软化材料

所述有限元模型只含单一铺层，将含损伤铺层的材料弹性常数乘以一 个折减系数R^(j)，使其达到材料软化，降低其承载能力的作用，定义折减系 数为：

$R^{\left(j\right)}=\frac{N^{\left(j\right)}/t_j}{{\sigma }_o}$

其中：

N^(j)为含损伤铺层j的剩余压缩承载能力，t_j为该铺层厚度，由层压板 制造者提供，σ_o为该层压板的无损伤压缩强度；

步骤5：计算该有限元模型，得到剩余压缩强度值。

步骤2中所建的有限元模型采用壳单元构建，壳单元的截面属性为复 合材料属性，即其材料体系参数、铺层数、铺层角度、铺层厚度、铺层顺 序与被检测层压板相同。

材料体系的破坏判据选用Hashin判据，所述Hashin判据包括四种破 坏模式：纤维拉伸破坏、纤维压缩破坏、基体拉伸破坏和机体压缩破坏。

步骤5中使用牛顿迭代法求解有限元模型，提取该模型承受的最大压 缩载荷，除以施加压缩载荷的面积，便得到该层压板的剩余压缩强度计算 值。

本发明的有益效果：本发明将无损检测结果引入有限元模型，确保了 分层损伤模拟的真实性。另外，由于无损检测将检测到的分层损伤信息离 散为点，每个点包含其在层压板面内和厚度方向上的位置信息，因此可以 通过编程直接将有限元模型中对应点所属单元的材料体系进行软化，方便 快捷。而且由于该有限元模型只包含壳单元，模型规模较小，避免了几何 非线性、结构稳定性、接触等问题，因此对计算机硬件要求不高，计算速 度快，在几分钟内就能完成求解。

附图说明

图1是本发明含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的测算方法流 程图；

图2是本发明将无损检测信息输入有限元模型的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

本发明含冲击损伤复合材料层压板剩余压缩强度的测算方法将无损检 测信息引入复合材料层压板有限元模型，然后对有限元模型中含损伤部分 的材料属性进行折减，最后通过计算该有限元模型得到含冲击损伤层压板 的剩余压缩强度值。根据其基本原理，下面给出其详细操作步骤，其流程 如图1所示：

步骤1：无损检测

对含冲击损伤的复合材料层压板受到冲击的表面，进行超声C扫描无 损检测；

步骤2：建立层压板有限元模型

建立与被检测复合材料层压板相同构型且与压缩破坏试验相同边界条 件的有限元模型，该模型采用壳单元(shell element)构建，壳单元的截面 属性为复合材料属性，即其材料体系参数、铺层数、铺层角度、铺层厚度、 铺层顺序与被检测层压板完全相同；

材料体系的破坏判据选用Hashin判据，Hashin判据包括四种破坏模式： 纤维拉伸破坏、纤维压缩破坏、基体拉伸破坏和机体压缩破坏，随着外部 施加的载荷的增加，当层压板内的应力值满足上述四种破坏模式中的任一 种模式后，即认为层压板开始破坏；

步骤3：将无损检测信息输入有限元模型

通过超声C扫描获得的无损检测信息，包含了该处损伤在层压板面内 的位置信息和在层压板厚度方向上的位置信息，

将无损检测信息输入有限元模型的过程，就是根据损伤的位置信息在 有限元模型中找到对应的位置，将其所处的单元定义为含损伤单元，将其 所处的铺层定义为含损伤铺层的过程，

如图2所示，例如损伤点i的位置坐标为(x_i，y_i，z_i)，在有限元模型 中确定其所处的单元和铺层，在对所有的损伤信息进行同样的处理后，就 将无损检测信息输入了有限元模型；

使用这种方法得到的含损伤有限元模型，由于同时考虑了损伤在层压 板面内和厚度方向上的位置信息，因此能够比较准确的反映损伤在层压板 内部的分布情况；

步骤4：软化材料

将含损伤铺层的材料弹性常数(纤维方向弹性模量、垂直于纤维方向 弹性模量、面内剪切模量、层间剪切模量)乘以一个折减系数R^(j)，使其达 到材料软化，降低其承载能力的作用，定义折减系数为：

$R^{\left(j\right)}=\frac{N^{\left(j\right)}/t_j}{{\sigma }_o}$

其中：

N^(j)为含损伤铺层j的剩余压缩承载能力，tj为该铺层厚度，由层压板 制造者提供，σ_o为该层压板的无损伤压缩强度，由试验获得；

该承载能力通过对该铺层建立单独的有限元模型分析得到，分析方法 与前述的层压板有限元模型一致，只是该模型只含单一铺层；

步骤5：计算该有限元模型，得到剩余压缩强度值

使用牛顿迭代法对该有限元模型进行求解，由于该模型引入了Hashin 判据，因此能够计算该模型在压缩载荷作用下逐渐破坏的过程，提取该模 型承受的最大压缩载荷，除以施加压缩载荷的面积，便得到该层压板的剩 余压缩强度计算值。

本发明将无损检测结果引入有限元模型，确保了分层损伤模拟的真实 性。另外，由于无损检测将检测到的分层损伤信息离散为点，每个点包含 其在层压板面内和厚度方向上的位置信息，因此可以通过编程直接将有限 元模型中对应点所属单元的材料体系进行软化，方便快捷。而且由于该有 限元模型只包含壳单元，模型规模较小，避免了几何非线性、结构稳定性、 接触等问题，因此对计算机硬件要求不高，计算速度快，在几分钟内就能 完成求解。