[发明专利]一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法

说明书

本发明公开了一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法，涉及复合材料结构失效分析领域，该方法包括：基于三维失效面理论确定材料损伤柔度矩阵的计算公式，从而建立起复合材料力学本构关系；采用失效面上的应力构造失效准则以判断复合材料是否失效及其失效模式，并基于失效面坐标系进行复合材料的刚度退化。通过对有限元软件进行二次开发建立了复合材料层合板的三维有限元模型，仿真模拟了复合材料层合板损伤起始、损伤演化和最终破坏的完整过程。该方法物理机制明确，能较好地预测复合材料层合板的失效载荷与失效模式，在很大程度上提高了复合材料层合板强度分析的预测精度，从而避免进行大量耗时长、成本高的试验测试。

技术领域

本发明涉及复合材料结构失效分析领域，尤其是一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法。

背景技术

复合材料凭借其高比强度、高比刚度、可设计、抗疲劳和耐腐蚀等突出特点，在航空航天、风电叶片、轨道交通等领域得到了广泛应用。然而在工程实际中，复合材料结构的设计仍是相当保守的。工程人员在设计时一般会通过选取较大的安全系数，并进行大量试验以最大程度地保证结构的安全性。但采用该方法会导致设计的结构效率偏低，也会造成设计周期变长，成本增加。因此，有必要建立一种准确预测复合材料层合板强度的分析方法，这有助于提高结构效率，减轻结构重量，降低试验成本并缩短研发周期。

复合材料层合板的渐进失效分析(Progressive Failure Analysis，PFA)方法目前在学术界得到了广泛应用，并取得了相对较好的预测效果。但因为复合材料具有高度各向异性且损伤模式多样化，导致其失效机理异常复杂，所以不少学者提出的复合材料层合板渐进失效分析模型都带有一定经验性。例如，广泛用于预测复合材料层合板失效的Tsai-Wu准则中系数F₁₂的取值没有公认的确定方法，基于应力不变量理论的Hashin准则中的一些参数因缺少实验数据而被人为设置成0。此外，在失效发生后复合材料刚度性能的折减方式也不尽相同。这些问题给建立一种基于物理机制且预测精度较高的复合材料层合板强度分析方法带来了挑战。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法，该方法采用失效面上的应力构造失效准则以判断复合材料是否失效及其失效模式，并基于失效面坐标系进行复合材料刚度退化。该方法物理机制明确，能较好地预测复合材料层合板的失效全过程，在很大程度上提高了复合材料强度分析的预测精度。

本发明的技术方案如下：

一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法，包括如下步骤：

建立基于三维失效面理论的复合材料力学本构关系，包括：

复合材料在未损伤和损伤这两种状态下的应力—应变本构方程分别为：ε＝S₀σ和ε＝S_dσ，其中ε为自然坐标系下的应变，σ为自然坐标系下的应力向量，S₀为未损伤状态下的柔度矩阵，S₀通过试验测得的复合材料工程弹性常数确定；S_d为损伤状态下的柔度矩阵，S_d与复合材料损伤程度有关，并且S_d由三维失效面理论推导得到，包括：