基于应变全场测量的复合材料弹性性能变异性辨识方法与流程

本发明涉及一种基于应变全场测量的复合材料弹性性能变异性辨识方法。

背景技术：

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。从结构角度来看，复合材料不仅是材料，也是由组分材料构成的微结构。由于生产工艺波动等原因，复合材料微观结构变异性明显，导致其材料性能也存在明显的波动性。在对复合材料结构分析过程中，为保证分析准确性，需要考虑复合材料性能的波动性。

获取复合材料性能波动性最直接的方法是制备多个试样，分别对每个试样进行实验以获取多个材料性能，进而利用统计方法获取材料性能波动性。为对该波动性进行准确表征，需要进行大量实验，材料成本以及试样制备、试验等时间、人力成本很高。

为解决该问题，近年来发展了虚拟实验方法。该方法从材料性能不确定性的根源，即微细观结构变异性出发，通过CT等原位观察手段分析材料微细观结构，建立微细观变异性表征以及重构方法。通过重构多个虚拟试样，利用均匀化方法同样可以获得宏观材料性能的波动性,但对试验手段和建模模拟要求较高。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明提供一种基于应变全场测量的复合材料弹性性能变异性辨识方法，本方法结合有限元进行反问题分析，进而通过一次试验获取多个材料性能，从而实现复合材料变异性的辨识。

本发明的技术方案具体是这样实现的：种基于应变全场测量的复合材料弹性性能变异性辨识方法，如下：

步骤1：在复合材料性能测试实验中获取全场应变信息；

步骤2：将应变场划分为有限个子区，获取每个子区的平均应变信息；

步骤3：利用试验中的平均载荷和平均应变，获取每个子区初始材料性能；

步骤4：依据试验过程，建立试样测试试验的模拟模型；

步骤5：将上一次计算得到的材料性能代入模拟模型，迭代计算新的子区材料弹性性能；

步骤6：重复步骤5，直至迭代满足收敛准则；

步骤7：将各个子区的材料性能作为样本，计算表征材料性能离散性的统计参数均值和标准差。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的应变场信息获取，利用数字图像相关全场应变测试方法获取。

2、所述的子区划分是在试样标距区内，将应变场划分为网格型的子区域。

3、所述的子区平均应变是子区内应变的面积平均值。

4、所述的测试试验模拟模型采用通用有限元分析软件建立，所建立的模型应依照试验过程，采用相同的加载方式和载荷。

5、所述的测试实验模拟模型中，仅建立试样的标距区模型，并划分相同的子区，以便与实验数据的子区划分相对应。

6、所述的初始材料性能的获取，首先设各子区受力大小一致，通过实验数据和试样截面积，计算得到平均应力，由平均应力与应变之比获得材料弹性模量，由于复合材料微细观结构变异性，各子区内的应变平均值不完全一致，计算得到的各子区初始材料性能也不完全一致。

7、所述的迭代过程，是利用前次计算得到的子区弹性性能，代入模拟模型中的相应区域，进而计算得出当前子区平均应变，进而用当前子区平均应变与当前子区的材料弹性性能，计算得到当前子区所受的实际载荷大小，利用该实际载荷，除以试验得到的各子区平均应变，得到本次计算的材料弹性性能，并用于下一次的计算。

8、所述的迭代收敛准则，是指前一次计算得出的统计参数和后一次计算的结果相对差异小于一个较小值。

本发明的有益效果及优点：该方法将实验测试结果与有限元分析方法相结合，能够通过单次实验的全场应变测量，反向辨识得出所测试材料性能的多个有效样本，进而通过多个样本的分析对材料性能的离散性作出估计。在获取相同数量材料性能有效数据的条件下，所采用的方法能够降低试验中的材料、人力、时间成本，对试验和模拟手段的要求也较低。

附图说明

图1为本发明实施例中的材料性能变异性辨识的方法流程示意图。

图2为复合材料单向拉伸测试获取的应变场示意图。

图3为针对试验建立的标距区模拟模型示意图。

图4为计算得到的材料性能样本给出的名义累积概率曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种复合材料弹性性能离散性的辨识方法。

如图1所示，本发明实施例中的复合材料弹性性能离散性的辨识方法包括如下所述的步骤：

步骤1：获取试样弹性性能测试过程中试样的全场应变。

采用数字图像相关方法获取试样的全场应变。可以在试验前，在试样表面制备散斑，在试验中利用CCD相机采集试样表面平面图像；试验后采用数字图像相关技术定义平面直角坐标，并进行数据处理得到试样表面特征点的位移其中i＝1,2,…,N，特征点坐标与位移存在函数关系，如(1)所示。

函数f(x,y)与函数g(x,y)的具体形式可以由特征点数据与插值方法给出，如(2)所示。

其中，F_i与G_i分别为对应于特征点i的插值基函数。小应变条件下，弹性应变与位移的关系为公式(3)。

利用上述公式，可以获取应变场信息。如图2，利用数字图像相关技术获取复合材料单向拉伸条件下的标距区应变场云图。

步骤2：将应变场划分为有限个子区，获取每个子区的平均应变信息。

提取试样标距区的应变场信息，将应变场划分为8×8网格型的正方形子区域R_i，边长为b，面积为A_i，i＝1,2,…,M，M为子区个数。

如图2中的虚线所示，在每个子区域内，用面积平均的方法计算子区的平均应变

其中上标0代表初始试验结果。

步骤3：利用试验中的平均载荷L，获取每个子区初始材料性能

设单轴加载方向为x方向。所述的初始材料性能的获取，可以首先假设各子区受力L_i大小一致，即L_i＝L通过实验载荷数据和试样截面厚度t，由(5)计算得到平均应力。

由平均应力与应变之比获得材料加载方向上的弹性模量，即。

由于复合材料微细观结构变异性，各子区内的应变平均值不完全一致，计算得到的各子区初始材料性能也不完全一致，即一般有与此同时，由于各子区的弹性性能差异，各个子区实际所受的载荷大小不一致，需要进行迭代修正。

步骤4：依据试验过程，建立试样测试试验的模拟模型；

试验模拟模型可以采用通用有限元分析软件建立，所建立的模型应依照试验过程，采用相同的加载方式和载荷。测试实验模拟模型中，仅建立试样的标距区模型，并划分相同的子区，以便与实验数据的子区划分相对应。如图3，采用通用有限元软件ABAQUS建立了复合材料单向拉伸试验标距区的模拟模型。

步骤5：将上一次计算得到的材料性能代入模拟模型，迭代计算新的子区材料弹性性能；

所述的迭代过程，是利用前次计算得到的子区弹性性能，代入模拟模型中的相应区域，进而计算得出当前子区平均应变进而用当前子区平均应变与当前子区的材料弹性性能计算得到当前子区所受的实际载荷大小其中k为当前迭代次数。利用该实际载荷利用(5)得到平均应力除以试验得到的各子区平均应变利用公式(6)得到本次计算的材料弹性性能并用于下一次的迭代计算。

步骤6：重复步骤5，直至迭代满足收敛准则；

可取ζ＝0.1％。

步骤7：将各个子区的材料性能作为样本，计算表征材料性能离散性的统计参数。

得到各子区的材料性能，利用统计分析方法，计算各子区材料性能的平均值以及统计方差S_P，作为材料弹性性能离散性的表征参数。

累积概率密度函数c(P)的计算方法为：

图4显示了计算收敛后，由64个样本数据得到的累积概率分布曲线。