[发明专利]一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法

摘要

本发明公开了一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，包括6个步骤，分别为：一、通过低速冲击试验结果，得到冲击能量与损伤特征参数的曲线关系；二、采用冲击损伤理论，得到对应冲击能量下最大接触力和最大凹坑深度；三、建立低速冲击渐进损伤有限元模型；四、修正低速冲击渐进损伤有限元模型；五、建立含冲击损伤的剩余强度有限元模型；六、求解含冲击损伤的剩余强度有限元模型，得到剩余强度值。本发明的评估方法将有限元仿真应用于冲击损伤模型，并结合冲击试验结果和冲击损伤理论，实现对损伤状态的精确仿真、实现含初始冲击损伤有限元模型的精确建模以及实现评估过程的连续性，具有较大的实用价值。

主权项

1.一种含低速冲击损伤复合材料结构剩余强度评估方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，低速冲击试验：对于多个相同的试验件，进行不同大冲击能量下的冲击试验，并使用无损检测方法对大冲击能量所产生的冲击损伤进行检测，记录损伤特征参数一；然后，根据低速冲击试验结果，得出冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系；其中，损伤特征参数一包括凹坑直径、凹坑深度和分层损伤面积；大冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸大于0.5mm；步骤2，计算出最大接触力和最大凹坑深度：采用冲击损伤理论，并基于MATLAB软件，计算出在不同小冲击能量下，冲击过程中的最大接触力以及冲击后表面的最大凹坑深度，得出冲击能量和与损伤特征参数二之间的曲线关系；损伤特征参数二包括最大接触力和最大凹坑深度；小冲击能量是指冲击试验所产生的冲击损伤尺寸在0.3mm~0.5mm；步骤3，建立低速冲击渐进损伤有限元模型：建立复合材料结构的渐进损伤有限元模型，使该渐进损伤有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型及边界条件；然后，进行动态有限元分析，对冲击过程进行仿真求解；求解结束后，得到冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系；步骤31，新增量步：仿真过程中，外载荷是逐级增加的；当冲击过程没有结束时，则进入下一增量步，重复整个流程，对结构进行新一轮的应力/应变分析；步骤32，新迭代步：在每一个载荷增加的步长中，需对复合材料结构建立的有限元平衡方程求解得到位移解；步骤33，计算应力/应变：根据步骤32得到的位移解计算材料各点的应力/应变；步骤34，材料失效准则：选取材料失效准则；步骤35，判断是否失效：将步骤33得到的各点应力/应变代入步骤34选取的材料失效准则中，检查模型中所有单元，判断模型单元是否失效；步骤36，材料刚度退化：如果模型单元发生失效应根据材料刚度退化模型进行相应的材料刚度折减，计算材料刚度矩阵；此时已经求解的非线性方程组的解不再满足要求，在保持当前载荷不变的情况下，根据刚度折减后的材料属性重新建立有限元平衡方程，重复步骤32~步骤35，进行新一轮的应力/应变分析，更新应力/应变；直至结构不再发生新的损伤；如果单元没有再产生失效，则进入下一个增量步；步骤37，判断冲击过程是否结束：如果冲击过程没有结束，则进入到下一个增量步，重复上述步骤31至36，对结构进行新一轮应力/应变分析；直至冲击过程结束；步骤4，修正低速冲击渐进损伤有限元模型：把步骤1和步骤2中试验得到的冲击能量和损伤特征参数之间的曲线关系与步骤3中得到的仿真曲线关系进行对比，并以此来修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型；步骤41，在大冲击能量区间内，把步骤1中冲击试验得到的冲击能量与损伤特征参数一之间的曲线关系和步骤3中得到的冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系进行对比；步骤42，在小冲击能量区间内，把步骤2中冲击损伤理论计算得到的冲击能量与损伤特征参数二之间的关系曲线和步骤3中得到的冲击能量与损伤特征参数之间的仿真曲线关系进行对比；步骤43，若步骤41和步骤42的对比结果均一致，则说明低速冲击渐进损伤有限元模型准确；若对比结果不一致，则说明低速冲击损伤有限元模型不准确，此时需要修正步骤3中的低速冲击渐进损伤有限元模型，直至对比结果一致；步骤5，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型：对步骤4修正后的低速冲击渐进损伤有限元模型，进行仿真求解，求解后材料属性参数发生变化，提取出变化后的材料属性参数；并以变化后的材料属性参数作为输入，重新设置各单元的损伤状态，并作为计算剩余强度有限元模型的初始损伤状态，建立含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，该含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型与步骤1中试验件具有相同构型；步骤6，计算剩余强度：对步骤5建立的含初始冲击损伤的剩余强度有限元模型，进行计算求解，得到剩余强度值，并建立损伤特征参数与剩余强度之间的曲线关系。