[发明专利]一种湿热环境中的CFRP层合板的几何非线性分析方法

说明书

本发明涉及一种湿热环境中受均布荷载作用的碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板的几何非线性分析方法，属于现代工程结构分析与应用技术领域，即基于Reddy的高阶剪切变形理论，在CFRP的工程结构中考虑湿热效应的影响。本发明针对如何解决工程材料中的湿热变形，利用虚拟位移法推导几何非线性控制方程，考虑边界条件是弹性限制旋转；然后，将CFRP的物理参数在湿热效应中视为常数，并使用Galerkin方法求解控制方程，其中使用了夹紧的矩形CFRP层压板。本发明利用非线性分析方法实现工程结构的湿热变形预测，为CFRP的结构损伤预测提供了一种新方法，在降低复合材料结构事故方面具有一定的指导意义。

技术领域

本发明涉及一种湿热环境中受均布荷载作用的碳纤维增强复合材料层合板的几何非线性分析方法，属于现代工程结构分析与应用技术领域。

背景技术

各种先进的复合材料在21世纪大量用于航空航天等工业领域中，复合材料与其它工程材料一样，都是在一定的环境条件下使用。常见的环境条件包括湿度、温度、腐蚀性介质、紫外线辐射、载荷等。对于有些复合材料，如航空航天用复合材料，其环境条件更为复杂，如高低温交变及湿膨胀系数的急剧变化。一种环境条件或多种环境条件的作用均会导致复合材料的性能变化。这种性能变化主要是受环境因素的影响，导致基体、纤维或纤维-基体界面发生变化或破坏。在载荷、应力、腐蚀作用下将使聚合物基复合材料的纤维-基体界面受到破坏，导致复合材料的强度和刚度下降。因此开展复合材料在湿热环境下的分析，对于合理、有效地使用复合材料是很有必要的。

目前，湿热效应对复合材料力学性能的影响主要限于小变形理论。对于湿热条件下的几何非线性理论，尽管也有涉及，但多数方法仅限于传统的经典板壳理论或Reissner-Mindlin理论。己有的研究结果表明，高阶剪切变形理论更接近于弹性理论解。但是，湿热环境下复合材料的高阶剪切变形在现有的方法中是很少被发现。因此，本发明的重点是高阶剪切变形理论下湿热环境对复合材料层合板几何非线性的影响，同时考虑更多的因素，如不同的边界条件，几何参数的变化等。

发明内容

本发明针对如何预测复合材料结构的湿热损伤变形，提高复合材料结构在实际工程应用中安全可靠性，提出了一种湿热环境中的CFRP层合板的几何非线性分析方法，即基于Reddy的高阶剪切变形理论，在CFRP的工程结构中考虑湿热效应的影响。本发明针对如何解决工程材料中的湿热变形，利用虚拟位移法推导几何非线性控制方程，考虑边界条件是弹性限制旋转；然后，将CFRP的物理参数在湿热效应中视为常数，并使用Galerkin方法求解控制方程，其中使用了夹紧的矩形CFRP层压板。本发明利用非线性分析方法实现工程结构的湿热变形预测，为CFRP的结构损伤预测提供了一种新方法，该方法应用在不同领域时可移植性强，同时可结合更丰富的工程经验等。

1.一种湿热环境中的CFRP层合板的几何非线性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将x-y轴置于CFRP层合板的中面，得到CFRP层合板的位移场；

步骤二、得到CFRP层合板中第k层的本构关系；

步骤三、基于CFRP层合板的位移场，基于Reddy高阶剪切变形理论，得到得ε_x，ε_y，γ_yz，γ_xz和γ_xy之间的关系式；其中，ε_x表示沿x轴方向的应变，ε_y表示沿y轴方向的应变，γ_yz表示y-z平面的剪应变，γ_xz表示x-z平面的剪应变，γ_xy表示x-y平面的剪应变；

步骤四、使用位移表示弹性转动约束边界条件；

步骤五、采用可调节参数的迭代法求解控制方程，得到不同温度和湿度下CFRP层合板的挠度和弯曲应力。