[发明专利]低速冲击下复合材料层合板渐进失效的多尺度预测方法

摘要

本发明涉及复合材料层合板损伤预测领域，旨在提供一种低速冲击下复合材料层合板渐进失效的多尺度预测方法。该方法包括：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；基于微观力学建立复合材料多尺度预测；基于多尺度方法求解低速冲击载荷下复合材料层合板应力、应变和损伤；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。本发明从微观角度出发预测宏观渐进失效行为，相比于基于复合材料宏观力学理论的研究方法，本发明考虑微观纤维和基体力学性能差异对复合材料层合板宏观力学性能的影响，更本质且较为准确的预测复合材料层合板在低速冲击载荷下的渐进失效行为。

主权项

1.低速冲击下复合材料层合板渐进失效的多尺度预测方法，其特征在于，包括下述过程：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；过程二、基于微观力学建立复合材料多尺度预测方法；过程三、基于多尺度方法求解低速冲击载荷下复合材料层合板应力、应变和损伤；过程四、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；所述过程一中包括：基于通用的有限元软件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，再用ABAQUS自带的ASSEMBLY模块对其组装之后设置分析步和通用接触属性；所述过程二具体包括下述四个步骤：步骤(1)：建立微观应力和宏观应力的对应关系，求取应力放大系数分量(a)微观应力和宏观应力的对应关系；其中，M_σ为应力放大系数，M_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)为应力放大系数的分量，σ为微观应力，为宏观应力；σ_i(i＝1,2,3)为三个正方向的微观应力，σ_i(i＝12,23,13)为三个剪切方向的微观应力；为三个正方向的宏观应力，为三个剪切方向的宏观应力；(b)获取应力放大系数分量；建立正六面体的复合材料微观胞元，其尺寸为针对三个正方向(1,2,3)和三个剪切方向(4,5,6)六种加载情况，分别对胞元施加单位应力载荷，得到微观胞元的应力分布；其中微观胞元每点的应力分布即为该点的应力放大系数；为了简化，分别从微观胞元的纤维和基体上选取若干点，计算出纤维和基体的应力放大系数并且存储在参数文件中；步骤(2)：建立基于微观力学的纤维和基体失效判据(c)针对纤维组分，损伤初始判据为：‑Cf＜σf＜Tf；其中，Tf和Cf为纤维拉伸强度和纤维压缩强度，σf为纵向方向的纤维微观应力；(d)针对基体组分，损伤初始判据为：其中，T_m和C_m分别为基体拉伸和压缩强度，σ_i(i＝1,2,3,12,23,13)为六个微观应力分量，I₁和σ_vm分别为第一微观应力不变量和微观Mises应力；和分别为临界第一微观应力不变量和临界微观Mises应力；步骤(3)：建立微观复合材料损伤演化准则(e)微观纤维损伤演化准则当纤维达到初始失效判据时，将微观纤维损伤变量Df设为0.9，微观纤维本构关系如下：其中，和分别为微观含损伤的纵向和横向纤维弹性模量；E_f1和E_f2分别为微观不含损伤的纵向和横向纤维弹性模量；(f)微观基体损伤演化准则当基体达到初始失效判据时，基体开始出现损伤演化，损伤在基体中逐渐累积，微观基体损伤变量定义如下：其中，Dm为微观基体损伤变量；基体出现损伤后，基体的弹性模量开始折减，微观基体本构关系如下：其中，和E_m分别为微观含损伤和不含损伤的基体弹性模量；步骤(4)：建立宏观复合材料损伤演化准则，根据宏观应力和应变的本构关系对满足失效准则的单元应力进行应力更新其中，和为宏观应力和宏观应变；C_d为含损伤刚度矩阵，为弹性刚度矩阵分量，由材料弹性模量和泊松比等材料参数计算得到；d_s为宏观剪切损伤变量；d_f和d_m为宏观纤维损伤变量和宏观基体损伤变量，计算如下：其中，E1和E2分别为宏观不含损伤的纵向和横向弹性模量；Vf和Vm分别为纤维体积分数和基体体积分数；所述过程三具体包括下述步骤：步骤(5)：通过ABAQUS用户子程序VUMAT实现上述过程，ABAQUS‑VUMAT是由应变驱动，随着载荷增加，首先读取微观纤维和基体的材料信息和复合材料层合板的材料信息和铺层信息；通过步骤(1)求取纤维和基体的应力放大因子，根据宏观应力和微观应力的对应关系求解当前复合材料的微观应力；通过步骤(2)的微观失效准则判断微观纤维和基体是否达到失效和出现损伤；如果出现损伤，则通过步骤(3)求取微观损伤变量以及进行微观纤维和基体弹性模量的折减，再通过步骤(4)求解宏观纤维和基体的损伤变量并存储为SDV状态变量，更新应力应变后再进入下一个增量步；如果没有出现损伤，则直接更新应力应变后进入下一个增量步；所述过程四具体为：将过程一建立的模型主文件和过程三建立的ABAQUS‑VUMAT用户子程序联合，使用ABAQUS/EXPLICT显示方法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；即完成低速冲击载荷下复合材料层合板渐进失效特性的预测。