[发明专利]预测低速冲击下复合材料层合板渐进失效的有限元方法

说明书

技术领域

本发明是关于复合材料损伤预测领域，特别涉及预测低速冲击下复合材料层合板渐进失效的有限元方法。

背景技术

当前，复合材料正广泛应用于航空航天、风力发电、压力容器、汽车等高新技术领域。但是低速冲击损伤对复合材料的强度、刚度及使用寿命都有较大的影响，因此必须清楚的了解在低速冲击下复合材料的渐进损伤演化过程。

一些复合材料如T300/914，AS4/PEEK等，在横向和剪切加载下具有显著的非线性和塑性，复合材料的不可逆变形是由各种不同的失效机制导致的，比如纤维基体的损伤，纤维/基体的界面分离，塑性变形的累积等，此时弹性损伤本构模型预测这类复合材料的低速冲击响应并不准确，因此提出一种可以准确预测有塑性行为的复合材料层合板的低速冲击响应的弹塑性损伤本构模型尤为必要。近年来针对复合材料层合板提出的弹塑性损伤本构模型未能合理考虑面外应力的影响和合适的失效准则及损伤演化，且基本集中在复合材料的静态损伤研究，而将弹塑性损伤本构模型用来准确预测复合材料层合板在低速冲击下的损伤研究很少。

ABAQUS软件可以对基于二维HASHIN失效准则对弹性复合材料进行低速冲击下的渐进失效研究，但无法直接运用较有优势的PUCK失效准则，更无法直接对有塑性特征的复合材料层合板进行低速冲击研究。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能准确预测含塑性特征的复合材料在低速冲击下的渐进损伤失效的方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供预测低速冲击下复合材料层合板渐进失效的有限元方法，包括下述过程：

一、建立含冲锤、复合材料层合板以及支撑板的低速冲击有限元模型；

二、建立复合材料弹塑性损伤本构模型；

三、基于(使用FORTRAN语言编写的)ABAQUS-VUMAT用户动态材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的弹塑性损伤本构模型，求解应力、应变和损伤；

四、对低速冲击进行计算，进一步获得冲击力、位移、速度和加速度；

所述过程一中，建立含冲锤、复合材料层合板以及支撑板的低速冲击有限元模型：基于ABAQUS建立冲锤、复合材料层合板、支撑板部件，分别设置材料属性和划分网格，再进行ASSEMBLY对其组装之后设置分析步和通用接触属性；

其中，复合材料层合板每层根据铺层角度进行铺层，不同铺层之间设置ABAQUS自带的双线性内聚力单元；

所述过程二具体包括下述步骤：

步骤(1)：建立含损伤复合材料层合板层内本构关系；

复合材料应力-应变本构方程：

其中，为未损伤材料的有效应力；S为损伤材料的名义应力；E^p为格林-拉格朗日应变张量的塑性部分，E^e＝E-E^p为格林-拉格朗日应变张量的弹性部分；C_d(C，d₁，d₂)为含损伤材料的四阶弹性张量，C为未损伤材料的四阶弹性张量，d₁和d₂是分别对应纤维断裂和基体开裂的损伤变量；

步骤(2)：建立塑性模型，具体建立方式为：

(a)考虑面外应力的复合材料塑性流动准则为：

其中，F为屈服方程；a₆₆为描述各向异性材料与塑性相关的常数，由偏轴拉伸测试确定(其数值约为1.25左右)；f为塑性势函数；k和分别为塑性硬化应力和等效塑性应变；所述是指未损伤材料的有效应力，其中i，j用来确定应力方向；所述指层合板面内垂直于纤维方向的有效应力；所述指面外垂直于纤维的有效应力；所述指面外剪切有效应力；所述指面内剪切有效应力；

(b)塑性硬化应力k为：

其中，β和n是为满足实验硬化曲线的常数(取值分别为600MPa和0.272左右)；塑性变形假定发生在损伤材料的未损伤区域，塑性流动准则和硬化准则表达在有效应力空间中；

(c)等效塑性应变率和塑形应变率分别为：

其中，为一致塑性因子；

步骤(3)：建立基于应变描述的PUCK失效初始判据和损伤演化准则，具体建立方式为：

(d)对于纤维拉伸和压缩，损伤初始判据为：