[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

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料结构失效分析的技术领域，具体涉及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，适用于航空航天飞行器中广泛使用的各种复杂复合材料结构。

背景技术

先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可剪裁设计和易于整体成形等许多优异的特性，可以显著降低飞机结构的重量，提高飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性，其应用范围已经从最初的非承力结构、次承力结构扩展到主承力结构。目前，先进复合材料在飞机机体结构中的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标。同时，对复合材料结构进行准确的失效分析就成为了飞机结构设计的关键环节。然而，由于复合材料的宏观各向异性和细观非均质特性，复合材料结构的损伤机理和破坏过程与金属结构完全不同，呈现出多重损伤形式并存、损伤不规则扩展等特点，为复合材料结构的分析和设计带来了巨大的困难。尽管众多学者在复合材料结构应力分析、失效理论和强度预测方法等方面做了大量研究，但是对于静载荷作用下先进复合材料结构的失效与破坏尚缺乏足够的理解。

近些年来，基于先进的有限元分析技术和损伤力学原理，渐进损伤方法在复合材料结构分析领域展现了显著的优越性。渐进损伤方法主要包括应力分析、失效准则选择和材料退化模型三方面的内容。它通过应力分析获得复合材料结构的应力分布，采用适当的失效准则评价材料的失效行为，并建立适当的损伤材料力学模型模拟复合材料结构损伤过程，揭示复合材料结构的失效机理。通过渐进损伤分析，不仅可以预测复合材料结构初始损伤部位及初始破坏强度，还可以追踪损伤扩展路径，模拟从初始损伤到极限破坏的全过程，同时还可以确定结构的极限强度和剩余强度。该方法明确的分析思路和直观的分析结果为人们深入理解复合材料结构的力学特性提供了重要的途径，成为当前复合材料结构分析一种重要手段。

但由于复合材料结构失效过程中存在多尺度、多重损伤模式的无规则耦合扩展，损伤的方向性、多损伤模式、损伤扩展的无序性、损伤材料与未损伤材料的耦合及数值应用问题等等，使得材料退化行为极其复杂。因此，合理地确定损伤材料的剩余刚度，建立材料退化模型，引起了学者们的重点关注，并尝试从理论、实验和数值测试等多渠道建立不同材料体系、载荷和约束条件等的复合材料结构的退化模型。本方法正是在这一背景下，基于细观力学和热力学框架提出的。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，基于连续介质损伤力学的基本理论，以复合材料三维工程弹性常数为输入参数，建立了单向纤维增强复合材料的连续损伤模型，以描述复合材料在破坏过程中的损伤累积现象和非线性力学响应，最终提出了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。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：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，实现步骤如下：

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，根据本发明提出的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。

所述步骤D中如果材料发生失效，根据本发明提出的连续损伤力学退化模型进行材料刚度退化实现过程为：

（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，