用于分析和制造具有预定载荷容量的结构构件的系统和计算机程序产品的制作方法

专利名称：用于分析和制造具有预定载荷容量的结构构件的系统和计算机程序产品的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于分析和/或制造具有预定载荷容量的结构构件的系 统和计算机程序产品，诸如通过确定复合构件的临界载荷，例如，根据应
变能的划分和 一 个或多个预定载荷的高斯点应变的临界状态(criticality)。
背景技术：
复合结构构件通常难以呈现材料特性，这使借助于常规技术的失效分 析比较困难。例如，许多复合材料在破裂或者失效之前呈现很小的变形。 因此，难以基于复合构件破裂发展或开始失效之前的应力而产生的变形， 来准确预测复合构件的失效点。具体地，纤维增强复合材料的各向异性性 质、以及在同样的结构成分使用多种材料而带来的复杂性，通常需要基于 经验技术的预测。这些途径需要相同或大致类似的结构成分的大量测试， 以发展准确的预测。所以，在复合构件的设计和制造之后，通常对其进行 测试，以确定或证实临界载荷容量。这种测试可能费钱费时，从而限制了
因此，对于分析和制造结构构件而言，存在对于改进的系统和计算机 程序产品的需求，以确定构件的载荷容量，而无需进行过多的破坏性测试。 这种系统和计算机程序产品应当能够分析复合结构构件，并应当提供构件 的准确评估，使得可以将构件设计成至少经得起最小载荷，同时减少或最 小化重量和制造成本。

发明内容
一种系统和计算机程序产品分析复合构件的载荷容量。例如，该系统 可以用计算机程序产品实现，该计算机程序产品包括存储了计算机可读程 序代码部分的计算机可读存储介质。根据一种实施方式，计算机可读程序 代码部分包括用于接收模型数据和材料数据的第一可执行部分。模型数据
是结构构件的配置和载荷条件的特征，以及材料数据是结构构件材料的材
料特性的特征。第二可执行部分分析模型数据并生成分析数据，该分析数 据包括关于结构构件的多个节点的应变张量。第三可执行部分生成增强分 析数据，其包括代表结构构件材料的临界应变不变量值。第四可执行部分 分析该增强分析数据以生成结果数据，其代表导致损坏结构构件中的不稳
定性的载荷条件以及不稳定性的可能位置(likely location)和方向。
例如，对于具有基体相和纤维相的复合结构构件而言，第二、第三和 第四可执行部分可以配置成提供关于复合构件的复合材料的至少 一个基体 相临界畸变(distortion^)应变不变量，提供关于复合构件的复合材料的至 少一个纤维相临界畸变应变不变量，以及确定关于复合构件的复合材料的 至少一个基体相临界膨胀(dilatational)应变不变量。各基体相应变不变量 值对应于由于在复合构件上的预定载荷所致的复合构件基体相的多个高斯 点之一的应变条件。可执行部分还可以确定关于复合构件的复合材料的多 个应变不变量值，各应变不变量值对应于由于在复合构件上的预定载荷所 致的复合构件的负荷材料的多个高斯点之一的应变条件。可执行部分可以 比较各基体及纤维相应变不变量值与对应的基体或纤维相临界应变不变 量，以识別关于预定载荷的各高斯点的临界状态。因此，可读程序的这些 部分可以确定关于预定载荷的总应变能的划分(partition),根据高斯点的临 界状态，在保持能量和分散能量之间划分总应变能。例如，将与各临界高 斯点相关联的应变能划分作为分散能量，以及将与各非临界高斯点相关联 的应变能划分作为保持能量。
此外，这些部分可以配置成对于不同的预定载荷(如逐渐增大的载 荷)重复这些操作，从而计算临界载荷(损坏不稳定性开始)，其与被认为 是关于特定应用的不可接受的损坏、也就是可以保持的最大能量相对应。 例如，通过根据基于复合构件的薄板特性的隐损坏函数确定最大能量保持 (retention),可以计算临界载荷。
根据本发明的一方面，还可以提供另外的可执行部分，用于执行结果
一个或更多方面的概率上可能的变化所导致的结果数据的变化。还可以提 供另外的可执行部分，用于根据计算出的载荷容量调整复合构件的属性(如 尺寸)，使得可以自动执行构件的迭代分析。


当结合附图和本发明的下列详细描述考虑时，本发明的这些以及其他 的优点和特点、以及实现方式将更为明了，附示优选的和示例的实施 方式，而且附图无需按比例绘制，其中
图1是图示根据本发明一种实施方式形成的复合结构构件的透视图； 图2是图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的载荷容量的 系统的方框图3是图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的载荷容量的 操作的流程图；以及
图4和图5是图解示出用于分析复合结构构件的载荷容量的系统和操 作的示意图。
具体实施例方式
下面，参照示出本发明部分而非全部实施方式的附图，对本发明进行 更充分的描述。本发明可以具体化为许多不同形式，而且不应当理解成局 限于这里给出的实施方式，更确切地说，提供这些实施方式，使得本披露 完全彻底，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。文中相同的标号 始终指示相同的构件。
现在参照附图，具体参照图1，其中示出了由根据本发明一种实施方式 的复合材料形成的结构构件10。具体地，构件10的复合材料包括纤维相和 基体相。纤维相由多个纤维增强构件12(图1中用沿结构构件IO纵向延伸 的虛线图示其中的三个)加以限定，而基体相则由其中布置纤维增强构件 12的基体材料14加以限定。例如，结构构件IO可以由多个细长带(或者 "绳")形成，其中该细长带被布置、压实、硬化成期望的配置。增强构件 12可以布置成单纤维、股、编织物、机织织物或非织毡等，它们由诸如玻 璃丝、金属、矿物、导电或非导电石墨或碳、尼龙、芳族聚酰胺(诸如Kevlar , E丄du Pont de Nemours and Company的注册商标)等材料形成。其中布置有 增强构件12的基体相14可以包括不同材料，诸如热塑性或热固性聚合树 脂。示例性的热固性树脂包括烯丙醇酯树脂、醇酸聚酯树脂、双马来酰亚 胺树脂(BMI)、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂(PUR)、聚 脲曱醛树脂、氰酸酯树脂、以及乙烯基酯树脂。示例性的热塑性树脂包括
液晶聚合物(LCP);氟塑料，包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)、 全氟烷氧基树脂(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、以及聚四氟乙烯-全氟 曱基乙烯基醚(MFA);酮基树脂，包括聚醚酮(PEEKTM，英国Lancashire 州Thorntons Cleveleys市Victrex PLC公司的商标)；聚酰胺，诸如尼龙-6/6, 30%玻璃纤维；聚醚砜(PES);聚酰胺酰亚胺(PAI),聚乙烯(PE);聚酯 热塑性塑料，包括聚对苯二曱酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)、以及聚乙烯(亚苯基对苯二酸酯)；聚砜树脂(PSU);聚乙烯(亚 笨基硫化物)(PPS )。
结构构件10的特征在于临界载荷容量，即，如下临界载荷构件10 的各部分能承受比该临界载荷低的载荷，而不会带来损坏不稳定性或失效。 临界载荷取决于诸如形成构件的材料等的因素。例如，在如图l所示的复
合结构构件的情况下，临界载荷由纤维和基体材料的类型、纤维和基体相 的相对量、纤维相在基体相中的配置、复合构件的尺寸和配置、施加的载 荷的类型、构件所暴露的其他条件等等确定。根据在复合构件工作或使用 期间所期望的实际载荷，可以对复合结构构件进行设计和制造，以达到预 定临界载荷容量。由此，根据本发明，可以按分析方式确定临界载荷容量， 而不破坏构件。例如，在制造复合构件之前，可以确定构件的临界载荷容 量，从而减少或者省略构件的后续破坏'性观'j试。
根据构件要保持能量的容量，并通过使用应变不变量失效理论(这里 称为"SIFT，，)，可以确定临界载荷容量。在Jonathan H. Gosse的"A Damage Functional Methodology for Assessing Post-Damage Initiation Environments in Composite Structure" ， AIAA - 2004-1788, 45th AIAA/ASME/ASC Structures, Stuctural Dynamics & Materials Conference, April 19-22, 2004, Palm Springs, California中对SIFT进行了进一步描述。如这里所述，SIFT可以用于分析 复合材料和粘合组件中损坏的起始(initiation),并且可以应用于层状堆叠顺 序、结构几何形状、加载以及边界条件等的不同配置。特别地，SIFT可以 用于分析由结构构件形状的变化("畸变")和/或结构构件体积的变化("膨 胀")所引起或指示的损坏起始。由此，SIFT考虑结构构件的基体和纤维的 畸变及膨胀。
结构构件中的损坏起始，通常用与每个纤维和基体相相关联的临界应 变不变量也就是作为结构构件材料的特征的临界应变值来表示。例如，复
合结构构件可以通过铺设、压实以及硬化多个细长复合带而形成，每个带 具有布置在基体材料中的纤维，通常使纤维沿带的方向纵向延伸。这样的 复合结构构件的基体相内的损坏起始，通常用两个临界应变不变量J,tiea' 和S翻Miseserit^表示，它们是基体材料的特征，而纤维相中的损坏通常用一 个临界应变不变量Sf'b 。n Mises"it^表示，其为纤维增强材料的特征。/ ， Miseser,实际上是基体相的sv。n Misese"tieal的高度局部化的值。此临界不变量的 值是通过分析乘积形式的纤维为主的失效来进行推断的，所以表示为ef'b 。n Miseseritieal。因此，通过比较基体相的应变不变量J,、 S顆M^与关于基体相的 各临界应变不变量J,ti气Sv。nMisesCTitieal,并比较纤维相的应变不变量Sflber
von
Mises与关于纤维相的各临界应变不变量/lb 。n Mises"itieal，可以确定应变的临 界状态(也就是，应变是否将导致结构构件的永久性损坏):
<formula>formula see original document page 10</formula>
应变不变量定义为
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，^、 &和e3是主应变。
即，对于由结构构件限定的多个高斯点的每一个，估计应变不变量， 以确定如何划分结构构件的总内应变能，即，确定结构构件的总内应变能 中多少被保持(例如，作为结构构件中的应变)、以及多少被分散(例如， 作为损坏)。要确定此估值的高斯点可以使用精确的程序或"诊断，，来选择。
具体地，结构构件的总内应变能可以使用下列广义等式进行划分 化C咖TieED](尸,，6) (6)
<formula>formula see original document page 10</formula>(7)
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中
i对应于主材才牛方向(4—23、 5—13、 6—12); ETi扩展为总能量的6个应变能分量； Ed是所有分散能量的集合；
的各分量相关联的显损坏函数；以及vM表示von Mises。
损坏函数可以是变形的当前状态和损坏的当前状态以及其他变量的函 数，所有这些都用《包含代表。由于它们的估值所涉及的许多变量以及它们 的各种相互作用，显损坏函数\|/"*)在这一 时间点可以看成不确定的。
通过用隐损坏函数6^替换显损坏函数Vi(^),可以对最大能量保持 (MER)的显形式进行近似，从而得出以下
j^j,由'—wetieed](i=16) (9)
eVNaevMcritica'"^i『M ETi e ED] (i=1,6) (10) SllbervM^bervMeritiea'—[Wf'ber'EvMETie ED] (i=1,6) (l])
MER通常是数值积分的最大值，因而
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中
5i对应于变形的总当前状态，以及
E/是全部保持能量的集合(这里co代表基体能量、纤维能量或总能量)。 隐损坏函数《ip0包括赋值函数&和内分层函数(intralaminar functional) 卩0。赋值函数为O或l,表示应变不变量的临界值的实现，将导致总能量的 所有特定能量分量到布置能量集合或者所有特定能量分量到保持集合的划 分。也就是，与具有临界值的各高斯点相关联的所有能量通常被划分为分 散能量，而与具有非临界值的各高斯点相关联的所有能量则划分为保持能 量。内分层函数是薄板特性的函数(例如，对于单向乘积形式，Eu、 E22、
<formula>formula see original document page 11</formula>M,se，tiea'和变形的当前状态，其中E是线性弹性模量，G是扭转弹性模量，
u是泊松比，a是热胀系数。结果，^是复合乘积形式的有效内在材料特性
的函数(也就是，纯乘积形式，诸如单向带状薄板)。薄板特性在隐损坏函
数公式中不使用。内分层损坏函数也是变形的当前状态的函数，所以是变
量而不是常数。
一旦满足方程(12),内分层损坏函数在方程(12)的变形状态下工作， 以获得与不可逆转地变形的复合结构的峰值容量(或损坏不稳定的开始) 相对应的最终变形状态。内分层损坏函数人，可以是有效薄板固有材料特性 和导出实体(诸如分散能量和从其分散能量的体积)二者的函数。所以，
内分层损坏函数九也是变量。
可以使用人工智能方法和系统来实现SIFT,例如执行MER分析。具体 地，人工智能装置或模块可以设置有问题陈述和支持信息，以适当定义所 要解决的问题，也就是，用于解析MER分析的方程、隐损坏函数、以及用 于其实现方式的规则和策略。
为了获得给定变形的复合结构的极限载荷容量(关于损坏不稳定的载 荷环境)，对能量域(即，包围对于损坏不稳定性评估的应变定位的域)内 的各高斯点的应变不变量进行估算，例如使用上述方程(l) _ (3)和(9)
- (11)。然后，通过隐损坏函数人，使根据方程(12)在MER点处的最终 变形配置(DFMER)起作用，以获得复合结构的期望变形配置。与复合结构 的极限载荷容量(或损坏不稳定性)相对应的变形配置是
DFfinal = DF證X (13)
在以下参考文献中对SIFT的理论和实现做了进一步描述，各文献的全 部内容在此以引用的方式并入本文"Strain Invariant Failure Theory; Failure Theory and Methodologies for Implementation,"作者Jon Gosse, 可 以获4寻该文的网址是http:〃www.compositn.net/Downloads/Presentation%20-0/o20Modelling%20-%20Boeing.pdf ; "Damage progression by the element-failure method ( EFM) and strain invariant failure theory ( SIFT )，"作 者T.E.Tay、 S.H,N.Tan、 V.B.C.Tan禾口 J.H.Gosse, Composites Science and Technology 65( 2005 )，935-944,December 2004; "Application of a First Invariant Strain Criterion For Matrix Failure in Composite Material, ，M乍者R.Li、 D.Kelly、 和R.Ness, Journal of Comosite Materials, November 2003,vol.37，no.22 /2003， pp.1977-2000;以及"Methodology for Comosite Durability Assessment,，，作者 Stephen W.Tsai和John L.Townsley， September 2003 SAMPE Technical Gonference， Dayton, Ohio。
下述系统和方法可以用于分析由包括非复合材料(诸如金属)的各种 材料等形成的结构构件。然而，本发明特别适用于由复合材料形成的结构 构件(如图1的复合结构构件10)的分析和制造，用常规的方法对其进行 分析可能比较困难。
图2示意性图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的载荷容 量的系统20。系统20包括多个模块或者組件，它们可以是分开的独立装置、 或者集成为一个或多个装置。例如，系统20可以包括带有处理器或控制器
22、存储器24以及输入/输出端口的计算机，并且系统20可以配置成一个 或多个模块工作。在有些情况下，各模块可以是计算机程序产品的可执行 部分，也就是存储在诸如存储器24的计算机可读介质上的计算机软件程序 的计算机可读程序代码部分。各模块可以与其他模块分开或集成在一起， 并且，各模块可以与其他模块运行的装置在分开或相同的计算机或其他装 置上运行。
图2中还图示了系统20的各种模块之间的典型数据通信，并在下面进 行描述；然而，应当理解，各模块可以配置成与其他模块中的一些或全部 进行通信，而且，模块可以根据不同通信协议中的任何一种进行通信。传 送进入系统20的、系统20中的、以及来自系统20的数据，可以作为文件、 时变信号等进行通信，并且，根据模块的配置，可以作为内部或外部通信 在模块之间进行通信。例如，在一种实施方式中，模块通过以连续存储并 及检索文件中的数据进行通信，而文件可以存储在存储器、软盘驱动器等 之中。具体地，各种模块可以向与控制器22关联的存储器传送数据或从中 接收数据。
如图2所示，系统20包括输入/输出^^块30,用于接收来自用户的信 息以及给用户提供信息。输入/输出模块30可以包括用于接收用户输入的输 入装置，如键盘等，以及用于给用户显示信息的视频监视器或其他装置。 输入/输出装置30可以是独立受控的装置，诸如个人计算机或计算机工作 站。可选择地，如图2所示，输入/输出装置可以受控制器22控制，控制器 22可配置成与系统20的其他模块进行通信和/或对其进行控制。
输入/输出模块30配置成向模型生成器模块32传送数据。因此，模型 生成器模块32可以配置成经由输入/输出模块提供参数化的用户界面，用户 可以借助于该输入/输出模块来输入模型数据以定义结构构件的模型配置。 模型生成器模块32还可以配置成从用户接收关于结构构件的所有材料特 性。然而，材料处理器模块34通常被提供用于从数据库模块36中接收或 检索至少一些数据，数据库模块36可以包括一个或多个数据库38、 40,使 得用户无需输入数据。因此，材料处理器模块34配置成接收或检索关于结 构构件的数据，例如，通过接收来自模块产生器模块32的输入模块数据， 以及通过从数据库模块36的一个或多个数据库38、 40中检索对应的材料 特性数据。材料处理器模块34可以向系统20的其余部分提供数据用于分 析。具体地，可以给分析模块42、微机械增强器分析程序包44、 SIFT分析 模块46和/或概率模块50提供数据。
图3中图示根据本发明一种实施方式用于分析结构构件的操作。如图 所示，模型数据通常由用户使用输入/输出模块30输入到系统20中。参见 方块60。基于用户输入的模型数据，模型生成器32给材料处理器模块34 提供设计基础值，即，作为被建模的结构构件的特征和对结构构件建模的 条件的数据。材料处理器模块34从数据库模块36检索与模型结构构件的 材料相对应(即，根据模型数据)的材料特性数据。参见方块62。模型数 据和材料数据被作为分析数据提供给分析模块42,分析模块42通常执行有 限元分析，以生成代表结构构件的均质分析数据。参见方块64。分析模块 42还显示作为结构构件的图形表示的数据。参见方块66。微机械增强器分 析包模块44接收均质分析数据，并生成增强分析数据，其包括增强的一组 应变张量。增强应变张量是关于复合构件的失效条件的特征。即，增强应 变张量代表在导致构件失效的最小条件下结构构件的微机械行为。参见方 块68。 SIFT分析模块46接收增强分析数据，并执行数据的SIFT分析，从 而生成结果数据，其代表在结构构件中导致损坏不稳定性的载荷条件、不 稳定性的可能位置、以及不稳定性的可能方向和/或行进路径。参见方块70。 结果数据可以由执行概率分析的概率模块50进行进一步分析，以确定结果 数据中的可能变化，其可能由于结构构件的材料或复合方面的概率上的可 能变化、结构构件的几何结构方面的变化等而发生。参见方块74。由各分 析模块产生的数据可以被存储和/或报告，例如，通过将数据存储成计算机 文件和/或在视频监视器上向用户显示数据的图形表示。参见方块72。
图4和图5更详细地示意性示出根据本发明一种实施方式的用于分析 由复合材料制成的结构构件的载荷容量的系统20的选择部分的工作。如上 所述，模型生成器32接收模型数据，通常来自诸如键盘、鼠标或其他装置 的输入/输出模块30,或者来自预先枸造的数据文件。参见方块80。模型数 据可以包括构件的物理结构的信息特征，诸如构件的几何形状；形成构件 的特定材料；材料的配置，诸如复合结构构件的基体材料中纤维的层的结 构、尺寸、数量以及布局；以及构件的层、层板或其他部分的结构、尺寸、 数量以及布局。另外，模型数据可以包括载荷数据，即结构构件的载荷条 件的信息特征，诸如施加于结构构件的载荷或力的幅度、位置、方向和定
时(timing);结构构件所暴露于的热条件的幅度、位置和定时，诸如存在于 构件一端或多端的热边界条件；结构构件所在环境中的湿度或其他条件的 幅度、位置、定时和类型；以及复合构件的其他特征，其环境及其使用。
经由输入/输出模块30，模型生成器可以提供参数化的用户界面，例如 图形用户界面，用户可以用其定义关于复合构件模型的各种预定义参数的 值，包括但不局限于关于形状、几何结构以及复合构件模型的复合方式的 参数，以及作为时间的函数的施加于复合构件模型的每个载荷、温度、湿 度和其他条件。
基于用户输入，模型生成器模块32向材料处理器模块34提供设计基 础值，包括复合构件的纤维和基体材料；构件的层板、纤维和/或其他组 分的数量及配置；以及代表复合构件的测试或使用条件的值，诸如使用的 时间或持续时间、湿度规范、温度规范以及载荷规范。参见方块82。
材料处理器模块34接收来自模型生成器模块32的输入模型数据，并 从一个或两个数据库38、 40中检索材料特性数据。参见方块84。基本材料 数据库38包含关于可形成复合构件的一种或多种材料的材料特性的信息。 参见方块86。存储在基础材料数据库38中的数据可以根据物理测试所得到 的测试数据生成。参见方块94。对于各种类型的复合材料，测试数据可以 包括如下信息复合材料的纤维和树脂的名称；复合材料单位体积中的纤 维体积；复合材料处于基本无应变的温度；关于单向复合材料的载荷与应 变之间的增量关系；代表具有不同纤维取向的单向试件的典型失效应变的 值。参见方块92。
临界值计算器模块配置成接收机械单向测试数据，并使用该测试数据 生成复合材料的临界应变不变量值。参见方块90。具体地，通过进行单向 测试试样的测试，并在失效位置处求解上述方程(1 ) - (3)，可以经验地 确定临界应变不变量值。
因此，除了任何测试数据之外，基本材料数据库38可被提供有与各材 料的如下特性相对应的值纤维模量，即复合材料的纤维的弹性模量；基 体模量，即复合材料的基体材料的弹性模量；代表各纤维和基体材料的热 胀系数；代表各纤维和基体材料的泊松比；复合材料的纤维和/或层板或层 的厚度或者其他几何形状；材料处于无应变时的复合材料的温度；以及关 于材料的临界应变不变量。参见方块88。存储在基本材料数据库中的这些
或其他值，可以由临界值计算器通过经验地确定(如通过材料测试)的值 的人工或自动输入、通过理论确定的值的人工或自动输入或通过其他方法 来加以提供。
加速寿命材料数据库40包含通常代表基本材料特性的变化的信息，
诸如由于包括时间消逝的寿命条件而可能出现的特性的变化；暴露的环境 条件诸如湿度、静态温度或循环温度变化；以及物理载荷特性包括载荷的 幅度和频率。参见方块96。存储在加速寿命材料数据库40中的数据，可以 根据从物理测试(即加速寿命材料测试)得到的测试数据生成，如图4所 示。参见方块104。例如，测试数据可以包括材料名称、以及代表在不同条 件下(诸如暴露于大气条件、加载等之后)被测试的各种材料的材料特性 的相关值。参见方块102。
为生成存储在加速寿命材料数据库40中数据所进行的材料测试的结 果，可以在叠合曲线(mastercurve)生成器模块中进行处理。参见方块100。 特别地，叠合曲线生成器模块可以生成叠合曲线，其结合了修正因子以考 虑材料的各个寿命条件。例如，叠合曲线可以提供修正因子，用于修正各 不同材料的临界应变不变量、泊松比、弹性模量以及热胀系数，以对寿命 条件诸如老化(age)、对温度的暴露、或者对载荷的暴露进行调整。参见方 块98。叠合曲线生成器可以计算这样的修正因子和叠合曲线，例如，通过 从寿命材料测试外推数据，使得叠合曲线生成器可以生成关于未经测试的 寿命条件的修正因子和曲线数据，诸如长期暴露于特定和/或极端温度、湿 度或载荷条件。在有些情况下，这些和其他的曲线或数据可以另外提供并 存储在加速寿命材料数据库中，例如，由经验地确定如通过材料测试确定 的值的人工或自动输入、由理论确定的值的人工或自动输入或由其他方法 来加以提供。加速寿命材料数据库40和基本材料数据库38在有些实施方 式中也可以由单个组合数据库提供。
因此，模型生成器模块32和材料处理器模块34配置成提供代表复合 构件的特定配置和工作条件的数据，使得该数据可以用来执行建模操作。 由此，模型生成器模块32和材料处理器模块34配置成向分析模块42传送 分析数据。分析数据通常包括关于几何形状、载荷、位移、温度等的信息。 参见方块IIO。分析数据可以包括关于各使用条件的规范，并且各规范可以 表明在一段特定使用时期上一个或多个条件的变化，诸如载荷规范表明间
隙性载荷或者在时间上不均匀的载荷。分析数据可以由^^莫型生成器模块32
和材料处理器模块34之一或二者提供。例如，如图4所示，模块生成器模 块32可以提供一部分分析数据，如与几何形状、位移和温度有关的数据， 而材料处理器模块34则可以提供其余数据，如材料特性。参见模块106、 108。可选择地，数据也可以用其他方法提供，如由用户人工输入，或者来 自另一基于计算机的分析工具的自动输入。在任何情况下，可以根据加速 寿命值(如由叠合曲线生成器生成的叠合曲线)对数据进行修改，以反映 由延长的时间消逝、暴露于特定环境条件等所导致的材料特性的变化。
分析数据被传送或者以其他方式提供给分析模块42,分析模块42通常 执行分析数据的均质材料分析。例如，分析模块42可以是用于执行有限元 分析的各种常规计算机软件包的任何一种，诸如从ESRD, Inc.可以购得的 StressCheck、从Canonsburg， PA的ANSYS, Inc.可以购得的分析程序等。如 图4所示，分析模块42可以包括一种或多种分析工具，诸如"h元"有限元 建模软件包、或"p元，，有限元建模软件包，这些软件包在业界都是已知的。 参见方块112、 114。借助于"均质材料分析"，意味着分析模块将复合构件 建模为具有均质或均匀的层或部分，即使被建模的实际复合构件在各层或 部分内可能是不均匀的，例如，包括具有明显不同的特性的纤维、基体材 料、三维编织等。参见方块116。均质数据通常包括分析数据以及复合构件 的各层或层板的所有节点或高斯点的应变张量的完整集合(机械、热二者 等)。
然后，分析模块42将均质分析数据传送至微机械增强器分析包模块44。 另外，分析模块42或者微机械增强器分析包模块44还可以提供可视化能 力，例如，通过图示复合构件施加的载荷或其他条件、由该载荷和条件在 复合构件中产生的应力和应变、失效点和模式等的图形表示。可以在输入/ 输出模块30的视频监视器(如阴极射线管或液晶显示器)上直接向用户提 供图形表示，使得用户可以确认输入的模型和条件的特征和/或反复修改模 型或条件。
微机械增强器分析包模块44接收均质数据并生成增强分析数据。参见 方块118。具体地，微机械增强器分析包模块44生成应变张量的增强集合， 其反映在用户定义的热边界条件下复合材料的纤维和基体的交互微机械行 为。参见方块120。另外，微机械增强器分析包模块44生成应变张量的增
强集合，其反映在纤維或基体开始失效所必需的机械条件下纤维和基体的 交互微机械行为。具体地，微机械增强器分析包模块44确定失效所需的最
小条件和首先失效的位置。由微机械增强器分析包模块44传送的增强分析
数据，除被增强以反映纤维和基体材料的交互微机械行为的应变张量(机 械的、热的等)之外，通常包括均质分析数据。也提供了用于确定为对应 于失效开始的条件的应变张量。
通过分析明确包含感兴趣的基体和纤维材料的复合材料的代表体积， 确定增强因子，其用于从均质数据生成关于复合材料的增强分析数据。代 表体积通常包括所有在感兴趣的复合构件中代表复合系统中所有材料所必 须的所有特性，例如，线弹性模量和扭转弹性模量、热胀系数、泊松比、 构成复合系统中的每种材料的体积分数、任何各向异性材料的方向性等。 然后，在感兴趣的载荷条件(如施加的位移、载荷或二者)、以及温度变化 下，可以对此代表体积进行分析，以确定在代表体积的不同材料元内在选 定位置处的应变放大率。然后，将在与六张量应变状态以及温度变化对应 的各载荷条件下代表体积的不同材料元中选定位置处的这些被放大的应变 进行正规化，并使用其作为用于分析的微机械增强因子。使用这些因子， 通过将均质应变乘以复合系统中各感兴趣的位置(例如在复合纤维和基体 材料内部)的增强因子，将均质分析数据转换成增强分析数据，以确定在 复合构件中各感兴趣的位置处的增强应变值。
增强分析数据可以提供给SIFT分析模块48,诸如最大能量保持(MER ) 分析模块，其配置为分析增强数据以生成结果数据。参见方块122。 SIFT 分析模块48接收关于感兴趣的结构内的多个高斯点的增强数据，并使用该 数据以求解如上所述的方程9- 12。该模块48求出存在于纤维内各感兴趣 的位置处的增强应变的完整集合，并比较所得出的应变不变量与临界应变 不变量，以确定在复合构件内的特定位置上是否存在损坏。
如果想得到关于损坏行进而不是简单的损坏存在的分析信息，有可能 以迭代或渐进的方式评定损坏行进。这需要用于表示特定位置中损坏的存 在、并在适当考虑损坏的存在的情况下重复分析的方法。有几种可能的方 法用于执行这类迭代分析，T.E.Tay、 S.H.N.Tan、 V.B.C.Tan和J.H.Grosse 的"Damage progression by the element-failure method (EFM) and strain invariant failure theory (SIFT)"中概述了其中之一 ，上文已对其加以引用。在SIFT分析模块48中执行的分析的结果被作为结果数据而从各个模 块输出。参见方块124。结果数据可以输出给用户和/或分析模块42,例如， 用于存储为数据文件，或者用于利用分析模块42的图形显示能力来生成结 果数据的图形表示。
结果数据也可以提供给概率模块50。参见方块126。概率模块50通常 识别由于制造、安装和/或材料变化而在复合构件中产生的可能变化对结果 数据的影响。例如，概率模块50可以存储或者概率地确定复合构件的纤维 和基体相的材料的可能变化、纤维相材料的量或配置的变化、构件的整体 形状或配置的变化等。于是，概率模块50可以执行复合构件的分析，例如， 使用其他分析模块42、 44、 46,假定不同的概率可能变化。因此，可以确 定并存储增强分析数据、以及关于这些可能变化的每一种的结果数据。概 率模块50可以使用增强分析数据来确定什么载荷条件在统计学上最可能导 致失效起始，使用SIFT结果数据来确定什么载荷条件在统计学上最可能导 致损坏不稳定性或传播，以及当将可能变化结合到模型中时损坏不稳定性 或传播的可能方向和/路径。来自概率模块50的输出数据可以提供成分析文 件，也可以将其存储或经由输入/输出模块30报告给用户。
在有些情况下，系统20可以配置成自动调整已建模的复合构件的属性 并据此重新分析该构件。例如，在方块124处计算了结果数据或者在方块 126处从概率模块50输出之后，系统20可以自动调整模型数据，以反映对 复合构件的尺寸、复合构件的材料、构件的几何结构等的调整。这种调整 通常由模型生成器32或者分析模块42、 44、 46、 50之一执行，或者也可 以由控制器22的另 一部分或单独的装置执行。系统然后可以返回到方块80, 以使用调整过的模型数据重新分析复合构件。因此，系统20可以配置成迭 代地分析并调整模型数据，直至提供达到预定准则(如对于给定的概率可 能变化的最小载荷容量、以及诸如重量或尺寸标准的模型数据的偏好)的 一组模型数据。
根据本发明的说明和相关附图，本领域技术人员可以受到启发而对本 发明加以改进。所以，应当理解本发明并不局限于所披露的特定实施方式， 其改进以及其他实施方式也包括在所附权利要求的范围内。尽管在此采用 了特定术语，但只是在一般叙述意义上加以使用而非出于限制的目的。
权利要求
1.一种用于分析复合构件的载荷容量的系统，所述系统包括输入/输出模块，用于从用户接收模型数据；模型生成器模块，配置成经由所述输入/输出模块提供界面，以及从所述输入/输出模块接收所述模型数据；数据库模块，包括关于多个复合材料的材料特性的至少一个数据库；材料处理器模块，配置成从所述模型生成器模块接收所述模型数据，以及从所述数据库模块中检索对应的材料特性数据；分析模块，配置成根据来自所述材料处理器模块的所述材料特性数据执行所述模型数据的有限元分析，以生成代表所述复合构件的均质分析数据，包括关于所述复合构件的高斯点的应变张量的集合；微机械增强器分析包模块，配置成接收所述均质分析数据并生成增强分析数据，所述增强分析数据包括关于所述复合构件的失效条件的应变张量特征的增强集合；以及SIFT分析模块，配置成接收所述增强分析数据并使用分析的应变不变量失效理论，以生成代表所述复合构件中导致损坏不稳定性的载荷条件的结果数据。
2. 根据权利要求1所述的系统，还包括概率模块，配置成确定所述结果数据中由于由以下构成的群组中的一 个或多个而使得在概率上可能发生的至少一个变化所述复合构件的材料 的变化和所述复合构件的几何结构的变化。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述SIFT分析模块配置成生成 结果数据，所述结果数据包括由以下构成的群组中的至少一个所述不稳 定性行进的可能方向和路径。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述材料处理器模块被配置成 提供关于所述复合构件的所述复合材料的至少 一个纤维相临界应变不变 量，以及，所述分析模块、所述微机械增强器分析包模块和所述SIFT分析 模块被配置成对不同预定载荷重复下列步骤，从而计算与最大能量保持相 对应的临界载荷确定关于所述复合构件的复合材料的多个基体相应变不变量值，每个 基体相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的预定载荷所致的所述复合构件的基体相的多个高斯点之一 的应变条件；确定关于所述复合构件的复合材料的多个纤维相应变不变量值，每个 纤维相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的所述预定载荷所致的 所述复合构件的纤维相的多个高斯点之 一 的应变条件；比较每个基体相应变不变量值与所述基体相临界应变不变量，并比较 每个纤维相应变不变量值与所述纤维相临界应变不变量，以识别关于所述预定载荷的每个高斯点的临界状态；以及确定关于所述预定载荷的总应变能的划分，根据所述高斯点的所述临 界状态，将所述总应变能在保持能量和分散能量之间进行划分。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述SIFT分析模块被配置成划 分与每个临界高斯点相关联的应变能作为分散能量、以及与每个非临界高 斯点相关联的应变能作为保持能量，从而确定所述总应变能的划分。
6. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述SIFT分析模块被配置成通过基于所述复合构件的薄板特性、根据隐损坏函数来确定最大能量保持， 以计算所述临界载荷。
7. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述SIFT分析模块被配置成通 过根据所述结构构件的保持能量对于所述结构构件的总内应变能的比来确 定损坏函数，以计算所述临界载荷。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被配置成调整所述模 型数据，以根据所计算出的载荷容量调整所述复合构件的尺寸。
9. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据库模块包括多个数据 库，至少一个所述数据库包括加速寿命材料信息，所述加速寿命材料信息 代表由于由以下构成的群组中的至少 一 个所导致的所述材料特性方面的变 化时间消逝、暴露于湿度、暴露于温度、以及物理载荷。
10. —种用于分析复合构件的载荷容量的计算机程序产品，所述计算机 程序产品包括其中存储有计算机可读程序代码部分的计算机可读存储介 质，所述计算机可读程序代码部分包括第一可执行部分，用于接收模型数据和材料数据，所述模型数据是所 述结构构件的配置和载荷条件的特征，以及所述材料数据是所述结构构件 材料的材料特性的特征； 第二可执行部分，用于分析所述模型数据并生成分析数据，所述分析数据包括关于所述结构构件的多个节点的应变张量；第三可执行部分，用于生成增强分析数据，所述增强分析数据包括代表所述结构构件的材料的临界应变不变量值；以及第四可执行部分，用于分析所述增强分析数据以生成结果数据，所述 结果数据代表导致所述结构构件中损坏不稳定性的载荷条件和不稳定性的 可能位置。
11. 根据权利要求IO所述的计算机程序产品，还包括 第五可执行部分，用于执行所述结果数据的概率分析，以确定由于由以下构成的群组中的至少一个的可能变化所导致的所述结果数据的变化 所述结构构件的材料和所述结构构件的几何结构。
12. 根据权利要求10所述的计算机程序产品，其中，所述第四可执行 部分被配置成生成包括由以下构成的群组中的至少一个的结果数据所述 不稳定性的所述可能方向和行进路径。
13. 根据权利要求IO所述的计算机程序产品，其中，所述第二、第三 和第四可执行部分被配置成执行下列步骤提供关于所述复合构件的复合材料的至少 一个基体相临界应变不变量；提供关于所述复合构件的复合材料的至少 一 个纤维相临界应变不变量；确定关于所述复合构件的复合材料的多个基体相应变不变量值，每个 基体相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的预定载荷所致的所述 复合构件的基体相的多个高斯点之一 的应变条件；确定关于所述复合构件的复合材料的多个纤维相应变不变量值，每个 纤维相应变不变量值对应于由于在所述复合构件上的所述预定载荷所致的 所述复合构件的纤维相的多个高斯点之一 的应变条件；比较每个基体相应变不变量值与所述基体相临界应变不变量，并比较 每个纤维相应变不变量值与所述纤维相临界应变不变量，以识别关于所述预定载荷的每个高斯点的临界状态；确定关于所述预定载荷的总应变能的划分，根据所述高斯点的所述临 界状态，将所述总应变能在保持能量和分散能量之间进行划分；以及 对于增大的预定载荷重复所述确定步骤和所述比较步骤，并且计算与 最大能量保持相对应的临界载荷。
14. 根据权利要求13所述的计算机程序产品，其中，所述确定划分的 步骤包括划分与每个临界高斯点相关联的应变能作为分散能量、以及与 每个非临界高斯点相关联的应变能作为保持能量。
15. 根据权利要求13所述的计算机程序产品，其中，所述计算临界载 荷的步骤包括基于所述复合构件的薄板特性、根据隐损坏函数，确定最大 能量保持。
16. 根据权利要求13所述的计算机程序产品，其中，所述计算步骤包 括根据所述结构构件的保持能量对于所述结构构件的总内应变能的比确定 损坏函数。
17. 根据权利要求IO所述的计算机程序产品，还包括第五可执行部分， 用于根据所计算出的载荷容量调整所述复合构件的尺寸。
18. 根据权利要求IO所述的计算机程序产品，其中，所述第一可执行 部分被配置成接收加速寿命材料信息，所述加速寿命材料信息代表由于由 以下构成的群组中的至少 一个所导致的所述材料特性方面的变化时间消 逝、暴露于湿度、暴露于温度、以及物理载荷。
全文摘要
提供了用于分析复合构件的载荷容量的系统和计算机程序产品。该系统包括用于接收模型数据和材料数据的装置或模块，模型数据是结构构件的配置和载荷条件的特征，而材料数据是结构构件材料的材料特性的特征。分析模型数据，以生成包括关于结构构件多个节点的应变张量的分析数据。生成增强分析数据，其包括代表结构构件材料的临界应变不变量值。根据应变不变量失效理论对增强数据进一步进行分析，以生成结果数据，其代表在结构构件中导致损坏不稳定性的载荷条件、以及不稳定性的可能位置、方向和/或行进路径。
文档编号G06F17/50GK101351802SQ200680050263
公开日2009年1月21日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年11月3日
发明者乔纳森·H·戈斯, 杰弗里·A·沃尔希拉格 申请人:波音公司