一种含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法与流程

本发明属于飞机结构设计领域，特别涉及复合材料结构强度分析，具体涉及含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法。
背景技术：
：随着复合材料结构在飞机上的应用越来越广，在复合材料制件制造、装配及服役中，会出现越来越多的分层缺陷，对含分层复合材料不合格品制件的剩余强度进行评估，强度评估太保守，导致飞机增加额外重量或导致制件报废，强度评估太冒险，则不利于飞机安全。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法，评估完全贯穿型含分层复合材料的剩余强度。本发明的目的通过如下技术方案实现：一种含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法，包括如下步骤：步骤一：根据含分层复合材料层压板试验件中的上面板与下面板的几何尺寸，构建对应的上面板模型和下面板模型，其中，所述上面板模型与所述下面板模型都为尺寸相同的长方体；步骤二：将所述上面板模型与所述下面板模型赋予几何位置关系，使所述上面板模型与所述下面板模型相互接触，形成一个长方体；步骤三：根据所述上面板和所述下面板的材料力学性能，计算所述上面板和所述下面板的对应等效工程常数，将该对应等效工程常数赋予到对应的所述上面板模型和所述下面板模型中，以及赋予该上面板模型和下面板模型面板材料属性；步骤四：将所述上面板模型与所述下面板模型接触的一个表面分割为两个矩形区域，其中一个区域赋予界面胶层属性及界面胶层材料的参数，得到含分层复合材料层压板试验件对应的含分层复合材料层压板试验件模型；步骤五：所述上面板模型远离接触面一侧的未赋予界面胶层属性一端和所述下面板模型远离接触面一侧的未赋予界面胶层属性一端，施加一对垂直于两面板模型的牵引力，使接触面张开；步骤六：分析所述接触面张开过程中所述含分层复合材料层压板试验件模型的剩余强度。优选地是，所述含分层复合材料层压板试验件模型共制作5组。本发明所提供的含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法的有益效果在于，可用于评估完全贯穿型含分层复合材料的剩余强度，便于设计人员合理评估复合材料结构强度，为含分层的复合材料零部件分层扩展模拟及剩余强度评估提了理论基础和参考方法。附图说明图1为本发明中的含分层复合材料层压板受牵引力时的张开位移过程图；图2为本发明中的本构方程牵引力σ与界面的相对位移δ关系示意图；图3为本发明中的含分层复合材料层压板试验件几何尺寸及施加牵引力方向示意图。具体实施方式为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。下面结合附图对本发明含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法做进一步详细说明。一种含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法，该发明的思路是基于含分层复合材料层压板界面胶层单元的本构方程，采用Abaqus有限元软件对几种材料的层压板分层进行了建模分析，对比分析材料和分层长度对分层扩展和剩余强度的影响。对于复合材料层压板铺层间的分层损伤，合理构造界面胶层单元的本构方程是准确模拟分层扩展的最基本问题。本发明中的本构方程采用将牵引应力σ和界面的相对位移δ联系在一起。界面胶层每一点处的牵引应力随张开位移先以线性变化，在界面出现损伤后开始“软化”，承载能力下降，最后界面完全分离牵引应力降为0。如图1和图2所示，其中，图1中的1到5点对应图2中1到5点，一一对应的关系，其中点0为未受力状态，点1承受线弹性范围内的较低拉伸载荷，胶层初始刚度(或罚刚度)Kp将上、下面板连接在一起，点2表示界面开始出现软化损伤。对于单一分层模式，点2处的应力等于材料的层间拉伸强度σ0。随着相对位移的增大，界面累积了损伤并使应力降到层间强度以下，如点3。截至点3处释放的能量为三角形0-2-3的面积，如图2阴影部分，而临界能量释放率GⅠC可在点4处获得，对于胶层中任何大于点4处的相对位移的点位，界面将不承受任何拉伸或剪切载荷。换言之，点4处的界面裂纹能量完全释放。界面胶层单元的本构方程可概括如下：a)当δ＜δ0时，界面胶层单元的本构方程为，σ＝Kpδb)当δ0＜δ＜δF时，界面胶层单元的本构方程为，σ＝(1-D)Kpδ其中D代表界面累积的损伤，初始损伤出现时为0，完全断裂时为1。d)当δ≥δF时，所有的胶层初始刚度(或罚刚度)Kp设为0。如果检测到裂纹闭合，重新设置法向刚度以阻止裂纹面互相穿透，并且忽略摩擦影响。界面模拟分析的准确性依赖于对胶层初始刚度Kp的选取。对于单一张开模式的分层损伤，初始损伤出现时的位移和最终完全开裂时的位移分别如下式所示。δI0=T/Kp]]>δIF=2GIC/T]]>以上两式中T为界面的名义拉伸强度，GⅠC为Ⅰ型裂纹临界能量释放率。然后使用Abaqus有限元软件构建含分层复合材料层压板试验件模型进行分析。首先说明是Abaqus软件中复合材料结构分层的分析技术有粘性区分析方法和虚拟裂纹闭合技术两种。粘性区分析方法对胶层界面的模拟主要有基于粘性单元和基于曲面两种方法。基于粘性单元的界面具有一定厚度，并且采用常规连续的本构方程(σ-ε)，而基于曲面模拟的界面厚度为0，并且采用前面说明的牵引-分离本构方程(σ-δ)。在Abaqus中后者是通过接触相互作用模拟界面的，基于曲面模拟界面厚度可被忽略，适用于复合材料层压板的情形。本发明的中的界面采用基于曲面的界面模拟。在Abaqus软件中有限元建模，本层压板分层有限元模型的建立采用基于曲面的模拟方法，具体的建模步骤如下：先在Abaqus软件中，根据含分层复合材料层压板试验件中的上面板与下面板的几何尺寸，构建对应的上面板模型和下面板模型，该上面板模型与该下面板模型都为尺寸相同的长方体，具体选用的上面板与下面板的长(L)都为150mm，宽(W)都为20mm，各面板厚(H)都为1.98mm，再将上面板模型与下面板模型赋予几何位置关系，使该上面板模型与该下面板模型相互接触，形成一个长方体，如图3所示。然后根据含分层复合材料层压板试验件中上面板与下面板的材料力学性能，其中材料力学性能参数包括E为弹性模量，υ为泊松比，G为剪切模量具体材料力学性能数值见表1。接着通过Patran等软件计算该含分层复合材料层压板试验件中的上面板和下面板的对应等效工程常数。在Abaqus软件中的材料类型中，其中一种类型材料为工程常数型材料，将上面板模型与下面板模型的材料均定义为工程常数型材料，将计算得到的上面板和下面板的对应等效工程常数赋予到对应的上面板模型与下面板模型中，需要注意的是，上面板对应上面板模型、下面板对应下面板模型；以及赋予该上面板模型和下面板模型面板材料属性，其中，面板材料属性按照表1赋予。表1面板材料力学性能其中，C组为金属结构分层参考对照组。将上面板模型与下面板模型接触的一个表面分割为两个矩形区域，其中一个区域赋予界面胶层属性用于模拟界面胶层，并将界面胶层区域单独定义为一个统一的变量集合，另一区域用于模拟分层。分层区域及界面胶层区域见图3所示，图中粗实线部分为模拟分层区域，长度(l)为55mm。将上面板模型与下面板模型接触的两表面分别定义为相互作用表面，其中把含有胶层属性的表面定义为从面，另一面定义为主面。在Abaqus软件中相互作用模块中，选取相互作用属性选项，并将胶层的初始刚度Kp、初始强度σ＇及应变能释放率GI定义在相互作用属性选项中，界面胶层的相关参数按照表2中数值设定，从而得到含分层复合材料层压板试验件对应的含分层复合材料层压板试验件模型。表2界面材料力学性能需要说明的是模型共制作5组便于实验数据的比对，模型Ⅰ：面板材料采用A，界面采用材料1；模型Ⅱ：面板材料采用B，界面采用材料2；模型Ⅲ：面板采用各向同性材料铝合金2A12，即对应表1材料代码C，界面采用材料1；模型Ⅳ：面板采用各向同性材料铝合金2A12，即对应表1材料代码C，界面采用材料2。而模型Ⅴ面板材料采用A，界面采用材料1，但分层长度由55mm更改为40mm。对每一组模型的上面板模型和下面板模型分别划分四边形网格，每一个网格采用一个应变单元，即上、下面板模型均采用双线性4节点平面应变单元(CPE4I)。上面板模型远离接触面一侧的未赋予界面胶层属性一端和下面板模型远离接触面一侧的未赋予界面胶层属性一端，即在上、下面板模型两非接触面未定义有胶层一端，施加一对垂直于两面板模型的牵引力，使接触面张开，如图3中F所示，并定义上面板模型端点的竖直向位移和牵引力为输出变量。在Abaqus软件分析模块中编辑输出请求选项，同时打开STATUS状体开关，在Abaqus软件工作模块中提交所建模型进行分析，在Abaqus软件可视化模块中查看分层动态扩展及结果云图。通过有限元分析软件可以得到：模型Ⅰ至Ⅳ四个模型的材料虽不同，但在同一分层长度下，分层自由端的张开位移均为2.5mm时，界面胶层开始出现软化损伤，只是面板由复合材料层压板改为金属铝板后，对应牵引力下降约30％，详见表3。同一长度分层情况下，面板及胶层材料对界面出现初始损伤时张开位移几乎没有影响，只是对分层牵引力有影响，且面板模量越低，牵引力越低。而对于模型Ⅴ来说，分层胶层端的张开位移均1.2mm时，界面胶层开始出现软化损伤，此时牵引力为73N，详见表3。材料相同的情况下，分层越短，界面出现初始损伤时分层最大张开位移越小，而牵引力越大，即剩余强度越高，反之亦然。模型牵引力(N)张开位移(mm)模型Ⅰ582.5模型Ⅱ632.5模型Ⅲ422.5模型Ⅳ402.5模型Ⅴ731.2表3模型胶层损伤时的端部的牵引力和张开位移(d/2)表从而通过本发明的含分层复合材料层压板剩余强度的有限元分析方法能够评估完全贯穿型分层复合材料的剩余强度。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页1 2 3