一种复合材料结构失效预测分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料结构失效分析的技术领域，具体涉及一种考虑湿热效应因素 影响的复合材料结构失效预测分析方法，适用于目前广泛使用的各种复杂纤维增强树脂基 复合材料结构。
【背景技术】
[0002] 先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可剪裁设计和易于整体成形等许多优 异的特性，可以显著降低飞机结构的重量，提高飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性，其 应用范围已经从最初的非承力结构、次承力结构扩展到主承力结构。目前，先进复合材料在 飞机机体结构中的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标。同时，对复 合材料结构进行准确的失效分析就成为了飞机结构设计的关键环节。然而，由于复合材料 的各向异性和对湿热环境的敏感性，对复合材料结构的研究和认识就变得异常困难。尽管 众多学者在复合材料结构应力分析、失效理论和强度预测方法等方面做了大量研究，但是 对于湿热环境下先进复合材料结构的失效分析尚缺乏足够的理解。
[0003] 近些年来，基于先进的有限元分析技术和损伤力学原理，渐进损伤方法在复合材 料结构分析领域展现了显著的优越性。渐进损伤方法主要包括应力分析、失效准则选择和 材料退化模型三方面的内容。它通过应力分析获得复合材料结构的应力分布，采用适当的 失效准则评价材料的失效行为，并建立适当的损伤材料力学模型模拟复合材料结构损伤过 程，揭示复合材料结构的失效机理。通过渐进损伤分析，不仅可以预测复合材料结构初始损 伤部位及初始破坏强度，还可以追踪损伤扩展路径，模拟从初始损伤到极限破坏的全过程， 同时还可以确定结构的极限强度和剩余强度。该方法明确的分析思路和直观的分析结果为 人们深入理解复合材料结构的力学特性提供了重要的途径，成为当前复合材料结构分析一 种重要手段。
[0004] 但由于复合材料对湿热环境的敏感性，在不同温度和湿度的工作环境中必然表现 出不同的特性。一般来说，高温和潮湿环境会明显削弱基体和纤维的力学性能，导致复合材 料的失效过程和退化行为变得极其复杂。因此，合理地确定湿热效应影响下的复合材料属 性，建立适当的渐进损伤分析模型，引起了学者们的重点关注。
[0005] 现在亟需解决的技术问题是如何设计一种复合材料结构失效预测分析方法，以解 决现有技术中存在的缺陷。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种复合材料结构失效预测 分析方法
[0007] 本发明的目的通过如下技术方案实现：一种复合材料结构失效预测分析方法，用 于复合材料结构损伤过程的模拟和强度的预测，包括如下步骤：
[0008] S1，对于给定的复合材料结构，测量并记录结构当前的温度和吸湿量；
[0009] S2,在复合材料结构三维有限元模型内，定义热膨胀系数α、湿膨胀系数β，输入 当前温度相对于温度增量AT以及吸湿量c ;
[0010] S3,基于温度增量ΔΤ，计算考虑温度和湿度影响的材料刚度和强度参数，并建立 材料刚度矩阵C0 ;
[0011] S4,施加位移载荷，依据ε ht= α ΔΤ+β c计算得到在此温度和湿度条件下的湿热 应变，并得到结构的应力分布σ = C( ε - α ΔΤ-β c);
[0012] S5,采用Hashin类失效准则判定复合材料的失效状态；
[0013] S6,满足失效准则，则材料发生失效；此时，根据给定的材料退化模型对相应部位 材料进行退化，并在第k增量步时采用
[0015] 分别更新刚度矩阵和应力分布状态；
[0016] S7,更新应力分布状态σ k = σ k-1+Ck · Δ ε k，如果没有满足失效准则，则材料无 损伤，材料刚度不变Ck = Ck-1 ;
[0017] S8,判断位移是否达到给定的位移载荷。
[0018] 上述方案中优选的是，所述S3实现的过程步骤包括：
[0019] S3-1，更新相应湿热条件下的材料刚度参数，由如下公式计算而得，
[0021] 其中，E1、E2和G12均为基本的复合材料模量参数，而带有角标t的相应参数则为 相应温度影响下的材料参数的修正值；Tg为该材料玻璃态转变温度，T为当前温度，T。是室 温，并且T = TQ+AT ;
[0022] S3-2,更新相应湿热条件下的材料强度参数，由如下公式计算而得，
[0026] 其中，Xt、Xc、Yt以及S是基本的复合材料强度参数，Vf为纤维体积分数，带有角 标t的相应参数仍为相应温度影响下材料参数的修正值。
[0027] 上述任一方案中优选的是，S3-2中，Κ/ /?:近似取值为1。
[0028] 上述任一方案中优选的是，S6的实现过程包括如下步骤：
[0029] S6-1，基于所述S5判定的失效状态，列出的材料退化模型更新材料属性；
[0030] S6-2,更新材料刚度矩阵；
[0031] S6-3,更新损伤材料的应力；
[0032] S6-4,执行 S8。
[0033] 上述任一方案中优选的是，S6-2中材料刚度矩阵与损伤后材料刚度矩阵相同。
[0034] 上述任一方案中优选的是，S6-2中的所述损伤后材料刚度矩阵由退化后的材料弹 性常数计算而得。
[0035] 本发明所提供的飞机寿命周期重量实时监控方法的有益效果在于：
[0036] (1)本发明考虑了湿热效应因素对于复合材料刚度和强度等参数的影响，结合湿 热应变的影响，建立了表述各向异性复合材料在湿热环境影响下的应力应变关系的本构方 程，进而建立了修正的材料刚度矩阵；
[0037] (2)本发明基于复合材料结构失效的渐进损伤分析方法，建立了可用于湿热环境 下复合材料失效分析的更为完善的渐进损伤模型，并在应力分析模型、失效准则和材料退 化模型中均引入了湿热效应的影响；
[0038] (3)本发明采用了针对Hashin类失效准则的材料退化模型，根据不同的失效模式 只对相应的材料参数进行退化。与现有的退化模型相比，能够更为准确地计算材料损伤后 的性能；
[0039] (4)本发明可以追踪结构在失效过程中，失效区域的起始、扩展以及最终失效的情 况，给出在达到失效时各个铺层的损伤状况以及失效模式；
[0040] (5)本发明可以分析湿热条件在复合材料失效过程中的影响，为复合材料设计提 供了参考依据。
【附图说明】
[0041] 图1是按照本发明的复合材料结构失效预测分析方法的一优选实施例的流程示 意图。
【具体实施方式】
[0042] 为了更好地理解按照本发明方案的复合材料结构失效预测分析方法，下面结合附 图对本发明的复合材料结构失效预测分析方法的优选实施例作进一步阐述说明。
[0043] 如图1所示，本发明基于连续损伤力学退化模型的复合材料结构失效分析方法的 具体实现为：
[0044] 1.对于给定的复合材料结构，测量并记录结构当前的温度和吸湿量；
[0045] 2.基于复合材料结构三维有限元模型，设定热膨胀系数α、湿膨胀系数β，并输 入当前温度相对于室温的增量AT以及吸湿量c ;
[0046] 3.基于温度增量ΔΤ，计算得到考虑温度和湿度影响的材料刚度和强度参数，首 先更新相应湿热条件下的材料刚度参数，由如下公式计算而得，
[0048] 其中，E1、E2和G12均为基本的复合材料模量参数，而带有角标t的相应参数则为 相应温度影响下的材料参数的修正值；Tg为该材料玻璃态转变温度，T为当前温度，而T0指 的是室温，并且T = Τ0+ΔΤ ;
[0049] 然后更新相应湿热条件下的材料强度参数，由如下公式计算而得，
[0053] 其中，Xt、Xc、Yt以及S是基本的复合材料强度参数，Vf为纤维体积分数，带有角 标t的相应参数仍为相应温度影响下材料参数的修正值，由于纤维体积分数被普遍认为是 受温度影响很小的，因此方程中的G /匕可以近似为1。