r>[0054] 之后，建立材料刚度矩阵C0。
[0055] 4.施加位移载荷，依据eht= a AT+i3c计算得到在此温度和湿度条件下的湿热 应变，同时计算得到结构的应力分布σ = C(e-aAT-0c);
[0056] 5.采用Hashin类失效准则判定复合材料的失效状态；
[0058] 6.如果满足失效准则，则材料发生失效；此时，基于步骤5判定的失效状态，根据 本发明给定的表2的材料退化模型对相应部位材料进行退化，表2针对Hashin类失效准则 的材料退化模型
[0059] 表 2
[0060]
[0061] 表中横向的各项指标分别代表发生相应的失效模式时各材料参数的退化系数； dft代表纤维拉伸失效后的退化系数，dfc代表纤维压缩失效后的退化系数，dfml和dfm2 代表纤基剪切失效后的退化系数；另外，表格中的参数γ代表相应的材料参数将被退化 为零，但为了避免数值分析过程中的收敛性问题，这里将γ设定为一个近似为零的极小正 值；以第一行为例，当发生基体拉伸失效时，松i和ν13均保持不变，而其他的所 有参数均退化为γ乘上相应的初始值；
[0062] 接着在第k增量步时采用Ck = Cd和σ k = Ck · ( ε k-1+Δ ε k)分别更新刚度矩 阵和应力分布状态并跳转到步骤8,其中Cd代表损伤后材料刚度，由退化后的材料弹性常 数计算而得。
[0063] 7.如果没有满足失效准则，则材料无损伤；此时，材料刚度不变Ck = Ck_l，只更新 应力分布状态σ k = σ k-1+Ck · Δ ε k并跳转至步骤8 ;
[0064] 8.判断位移是否达到给定的位移载荷，若尚未达到，则增加位移，返回步骤4,重 复计算；若达到给定位移，则停止计算，输出分析过程中的载荷-位移曲线，分析载荷位移 曲线，在载荷突降处认为结构已经失去承载能力，此时的载荷即为结构的极限载荷。
[0065] 实施例1 :典型复合材料孔板结构的拉伸失效分析典型复合材料孔板由T300级碳 纤维增强环氧树脂复合材料制成，铺层顺序为[45/-45/0/-45/0/45/0/45/-45/0/-45/45/9 0/45/-45/0/45/-45/90/0] s，单层厚度为0. 12mm。材料纤维体积分数Vf约为63%，玻璃态 转变温度约为260°C，热膨胀系数分别为α 1 = 〇. 25 X 10-6/K，α 2 = 32. 6 X 10-6/K，湿膨 胀系数分别为β 1 = 0, β2 = 0.6X10-6, γ设定为10-6,并且，基于已有的材料退化系数 计算方法，计算各退化系数如下：
[0066] dft= 0. 00874 ；d fc= 0. 0693 ；d fml= 0. 061 ；d fm2= 0. 18
[0067] 1.根据复合材料孔板结构的几何参数在有限元软件ABAQUS中建立该结构三维有 限元模型，将孔板长度方向的一个自由端完全约束，在另一个自由端施加3mm的拉伸位移 载荷。
[0068] 2.采用Fortran语言将建立的考虑湿热效应影响的渐进损伤模型编写程序，通过 调用ABAQUS中的UMAT子程序进行渐进损伤失效分析；
[0069] 3.将通过渐进损伤失效分析得到的孔板失效强度与试验结果比较，在不同的温度 和湿度条件下误差均在5. 0%以下，且失效模式与失效位置均相同；
[0070] 表3试验与数值结果
[0072] 4.从计算结果对比中可以看出，采用本发明所提出的考虑湿热效应因素影响的复 合材料结构渐进损伤分析方法能够很好地预测复合材料机械连接结构在不同的温度和湿 度条件下的失效载荷、失效模式和失效位置。
[0073] 以上结合本发明的复合材料结构失效预测分析方法具体实施例做了详细描述，但 并非是对本发明的限制，本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。凡是依据本发 明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改均属于本发明的技术范围，还需要说明的 是，按照本发明的复合材料结构失效预测分析方法技术方案的范畴包括上述各部分之间的 任意组合。
【主权项】
1. 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，其特征在于，包括如下步骤： 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； 52, 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A T以及吸湿量c ; 53, 基于温度增量△ Τ，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CO ; 54, 施加位移载荷，依据eht= 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(e-a ΔΤ-βο); 55, 采用Hashin类失效准则判定复合材料的失效状态； 56, 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 Ck = Cd 和 〇 k = Ck · ( ε k_l+ Δ ε k) 分别更新刚度矩阵和应力分布状态； 57, 如果没有满足失效准则，则材料无损伤；此时，材料刚度不变Ck = Ck-Ι，只更新应 力分布状态σ k = σ k-1+Ck · Δ ε k ; 58, 判断位移是否达到给定的位移载荷，若尚未达到，则增加位移，返回步骤D，重复计 算；若达到给定位移，则停止计算，输出分析过程中的载荷-位移曲线；分析载荷位移曲线， 在载荷突降处认为结构已经失去承载能力，此时的载荷即为结构的极限载荷。2. 如权利要求1所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S3实现的 过程步骤包括： 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，其中，El、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T。指的是 室温，并且T = TQ+AT ; 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，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。3. 如权利要求2所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，S3-2中，近似取值为1。4. 如权利要求2所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S6的实现 过程包括如下步骤： 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； S6-2,更新材料刚度矩阵； S6-3,更新损伤材料的应力； S6-4,执行所述S8。5. 如权利要求4所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述S6-2中材 料刚度矩阵与损伤后材料刚度矩阵相同。6. 如权利要求5所述的复合材料结构失效预测分析方法，其特征在于，所述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。
【专利摘要】本发明提供一种复合材料结构失效预测分析方法，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。同时，结合渐近损伤分析方法，在应力分析模型、失效准则和材料退化模型三个方面均引入了湿热效应对于材料刚度和强度等参数的影响，并编译了UMAT子程序并打包嵌入到有限元软件中，最终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。本发明与现有的各类复合材料结构失效渐近损伤分析方法相比，考虑了湿热效应对于各向异性复合材料失效行为的影响，能够准确的表征材料在湿热环境下的损伤过程，适用于温度和湿度等条件更加复杂的情况下复合材料结构损伤过程的模拟和强度的预测。
【IPC分类】G01N3/18
【公开号】CN105352816
【申请号】CN201510853206
【发明人】洪海铭, 王佳莹, 赵丽滨
【申请人】中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月26日