[发明专利]一种基于连续损伤力学退化模型的复合材料结构失效分析方法

权利要求书

1.一种基于连续损伤力学退化模型的复合材料结构失效分析方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤A，根据复合材料结构几何参数，建立复合材料结构三维有限元模型，施加边界条件和初始载荷；

步骤B，基于复合材料结构三维有限元模型进行应力分析，并在第k增量步时，开始调取单元积分点的应力σ^k；

步骤C，应用复合材料失效准则预测复合材料的失效状态；

步骤D，如果满足失效准则，则材料发生失效，此时，根据连续损伤力学退化模型进行材料刚度退化；

步骤E，如果没有满足失效准则，则材料无损伤，此时，材料刚度不变C^k+1＝C⁰，更新应力σ^k+1＝σ^k+C^k+1·Δε^k；

步骤F，判断复合材料结构中的损伤是否导致结构发生破坏；

步骤G，如果结构没有发生破坏，增大载荷，返回步骤（B）；

步骤H，如果结构发生破坏，则结构失去承载能力，停止分析，此时的载荷即为复合材料结构的失效强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续损伤力学退化模型的复合材料结构失效分析方法，其特征在于所述步骤D中实现过程为：

（D1）根据材料退化准则更新材料属性；

（D2）更新材料刚度矩阵C^k+1＝C^d，其中C^d代表损伤后材料刚度，由退化后的材料模量计算而得，当σ₁₁＜0，D₁＞0时，

E~11=(E11-E22)(1-D1)+E22,E~22=E22(1-D2n),E~33=E33(1-D3n)]]>

G~12=G12(1-D2t),G~13=G13(1-D3t),G~23=G23(1-D2t)(1-D3t)]]>

v~12=(v12-0.49)(1-D1)+0.49,v~13=(v13-0.49)(1-D1)+0.49,v~23=((v23-0.49)(1-D1)+0.49)(1-D2n)]]>

当σ₁₁≥0，D₁＞0或D₁＝0时，

E~11=E11(1-D1),E~22=E22(1-D2n),E~33=E33(1-D2n)]]>

G~12=G12(1-D2t),G~13=G13(1-D3t),G~23=G23(1-D2t)(1-D3t)]]>

v~12=v12(1-D1),v~13=v13(1-D1),v~23=v23(1-D2n)]]>

其中E₁₁，E₂₂，E₃₃，G₁₂，G₁₃，G₂₃，ν₁₂，ν₁₃，ν₂₃为复合材料的三维工程弹性常数，为发生损伤后复合材料的三维工程弹性常数，D₁、D₂和D₃为表征单向纤维增强复合材料材料损伤的三个损伤变量，其中D₁对应于纤维“裂纹”损伤，D₂对应于复合材料中出现的第一条基体裂纹损伤，D₃对应于复合材料中出现的第二条基体裂纹损伤，规定复合材料出现的第二条基体裂纹与第一条基体裂纹垂直，以使得损伤后的材料可以看作正交各向异性材料，纤维“裂纹”和两条基体裂纹所在的平面为三个正交的弹性对称面，复合材料的三维损伤力学退化模型则建立在由三个正交的裂纹面确定的坐标系内，和是微元体在基体裂纹的法向有效损伤变量，决定裂纹法向弹性模量的损伤程度，和是微元体在基体裂纹的切向有效损伤变量，决定裂纹剪切弹性模量的损伤程度，其表达式分别为：

D2n=D2<σ22>|σ22|D3n=D3<σ33>|σ33|]]>

D2t=D2D3t=D3]]>

式中，<x>为McCauley算子，其定义为D₁，D₂，D₃的计算式如下：

D1=min(1,ϵ11f(ϵ11-ϵ110)ϵ11(ϵ11f-ϵ110))]]>

D2=max(D2N,D2L,D2T)→D2N=min(1,ϵ22f(ϵ22-ϵ220)ϵ22(ϵ22f-ϵ220))D2L=min(1,γ12f(γ12-γ120)γ12(γ12f-γ120))D2T=min(1,γ23f(γ23-γ230)γ23(γ23f-γ230))]]>

D3=max(D3N,D3L,D3T)→D3N=min(1,ϵ33f(ϵ33-ϵ330)ϵ33(ϵ33f-ϵ330))D3L=min(1,γ13f(γ13-γ130)γ13(γ13f-γ130))D3T=min(1,γ32f(γ32-γ320)γ32(γ32f-γ320))]]>

D₂＝max(D₁,D₂)

D₃＝max(D₁,D₃)

其中（ij＝11,22,33）分别为损伤起始时的正应变、当前状态的正应变及细观裂纹生成时的正应变，（ij＝12,13,23,32）分别为损伤起始时的剪应变、当前状态的剪应变及观裂纹生成时的剪应变；

（D3）更新损伤材料的应力σ^k+1＝C^k+1·(ε^k+Δε^k)；

（D4）转到步骤（F）。