[发明专利]一种考虑纤维编织损伤的复合材料结构强度分析方法

说明书

本发明提供了一种考虑纤维编织损伤的复合材料结构强度分析方法。在复合材料结构制备过程中，预制体编织工艺会使纤维因曲率过大而产生损伤，从而降低局部强度。本发明考虑了纤维编织损伤的影响，给出了纤维曲率半径对其强度的影响规律，在对复合材料结构进行有限元分析时，获取各单元曲率半径并以此计算各单元的实际强度，可以大大提高结构强度分析的精度。

技术领域

本发明属于复合材料性能分析领域，具体涉及一种考虑纤维编织损伤的复合材料结构强度分析方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、优越的抗疲劳和耐环境等优点，在航空航天等领域有着广泛的应用。在作为承力结构时，在服役环境下不破坏，是复合材料结构的基本要求，因此进行准确地强度分析是复合材料结构设计过程必不可少的环节。目前在进行复合材料结构分析时，往往是先通过试验或理论计算获取材料的刚度和强度性能，然后对结构进行有限元计算。

在复合材料中结构制备过程中，预制体编织工艺会使某些部位纤维因曲率过大而产生损伤，从而降低局部强度。然而目前在对复合材料结进行强度分析时，往往通过标准件力学试验或理论计算得到材料一般性的强度性能，在此基础上对结构进行有限元分析(如文献[王姣，王成华，杨阳，等.C/SiC复合材料轴套渐进损伤分析.强度与环境，2016，43(05)：30-37.]和[孙杰.编织复合材料结构与材料一体化优化设计.南京航空航天大学，2010.])，而未考虑纤维编织损伤，从而增加结构强度分析结果的误差。

当前，如何在对复合材料结构进行强度分析时考虑纤维编织损伤是本技术领域重要而难以解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种考虑纤维编织损伤的复合材料结构强度分析方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

1、一种考虑纤维编织损伤的复合材料结构强度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对纤维束进行拉伸试验，得到纤维束初始拉伸强度S₀；

步骤2：分别测量经过曲率半径为r₁、r₂……r_n的弯曲损伤后纤维束的拉伸强度S₁、S₂……S_n；

步骤3：根据步骤1和步骤2所得结果，计算曲率半径r₁、r₂……r_n分别对应的损伤系数D₁、D₂……D_n，并绘制损伤系数D与曲率半径r的关系曲线；

步骤4：计算复合材料应力-应变响应和理论强度S^c；

步骤5：建立复合材料结构的有限元模型；

步骤6：遍历有限元模型中的每个单元，获取每个单元所在位置的曲率半径

步骤7：遍历有限元模型中的每个单元，结合损伤系数D与曲率半径r的关系曲线和理论强度S^c，计算每个单元的实际强度

步骤8：根据复合材料应力-应变响应和每个单元的实际强度对结构进行有限元计算，完成强度分析。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述步骤2中，对纤维束施加曲率半径为r_i，i＝1……n的弯曲损伤的方法为，将纤维束在半径为r_i的玻璃纤维圆棒上紧密缠绕一定圈数后取下，对该纤维束进行拉伸试验，得到其强度S_i。