耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法技术

耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，首先建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏机理模型，然后根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法，对元件损伤响应进行分析，并通过实物试验对元件损伤分析方法进行修正，进而获得元件损伤响应规律，结合元件间理想连接关系，利用有限元方法对不同载荷工况下构件损伤响应进行分析，通过实物试验修正元件间连接关系，根据修正后元件间连接关系和元件损伤响应规律，利用有限元分析方法对组件、部段以及飞行器损伤响应进行分析，完成虚拟试验验证。本发明专利技术实现了复合材料结构件多层级多修正的虚拟试验验证方法，降低了验证周期和成本，提高了验证准确度。

【技术实现步骤摘要】
耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法
本专利技术涉及耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，属于结构设计领域。
技术介绍
复合材料结构由于其轻质、相对低的费用和制造技术的发展，越来越广泛应用于飞行器结构件。飞行器结构件受载环境复杂，重量要求苛刻，因此需要进行验证以保证设计可靠度。传统的验证方法包括实物验证和仿真验证两种，实物验证周期长，成本高，传统仿真验证准确度低，不能真实反映结构设计水平。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，实现了复合材料结构件多层级多修正的虚拟试验验证方法，降低了验证周期和成本，提高了验证准确度。本专利技术的技术解决方案是：耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，包括以下步骤：(1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏机理模型；(2)根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法，根据该分析方法对不同载荷工况下元件损伤响应进行分析；(3)选取典型耐高温复合材料元件进行实物试验，得到步骤(2)所述各种载荷工况下对应的元件损伤响应数据；(4)利用步骤(3)得到的元件损伤响应数据对步骤(2)的元件损伤分析方法进行修正；(5)根据修正后的元件损伤分析方法获得元件损伤响应规律，基于元件损伤响应规律和元件间连接关系，利用有限元方法对不同载荷工况下构件损伤响应进行分析；(6)选取典型耐高温复合材料构件进行实物试验，得到步骤(5)所述各种载荷工况下对应的构件损伤响应数据；(7)利用步骤(6)得到的构件损伤响应数据对步骤(5)元件间连接关系进行修正，得到修正后的元件间连接关系；(8)根据步骤(7)得到的修正后元件间连接关系和步骤(5)得到的元件损伤响应规律，利用有限元分析方法对不同载荷工况下组件、部段以及飞行器损伤响应进行分析，完成耐高温复合材料结构多层级多修正的虚拟试验验证。所述步骤(2)中根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法的步骤如下：(2.1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏准则：(a)纤维拉伸损伤，疲劳准则为：其中σxx≥0；(b)纤维压缩损伤，疲劳准则为：其中σxx<0；(c)基纤剪切，疲劳准则为：其中σxx<0；(d)基体开裂，疲劳准则为：其中σyy≥0；(e)基体挤压，疲劳准则为：其中σyy<0；(f)层间拉伸损伤，疲劳准则为：其中σzz≥0；(g)层间压缩损伤，疲劳准则为：其中σzz<0；式中，σij为各单元的应力分量，i、j分别取x、y、z其中一项，x、y、z与材料各主方向相互对应；XT(n,σ,k)、YT(n,σ,k)和ZT(n,σ,k)分别为拉-拉疲劳载荷下，加载到一定周期时，复合材料单层板的纵向强度、横向强度和法向强度；XC(n,σ,k)、YC(n,σ,k)和ZC(n,σ,k)分别为压-压疲劳载荷下，加载到一定周期时，复合材料单层板的纵向强度、横向强度和法向强度；Sxy(n,σ,k)、Sxz(n,σ,k)和Syz(n,σ,k)分别为剪切疲劳载荷下，复合材料单层板的剪切强度，其中n为疲劳载荷循环次数，σ为应力，k为应力比；对于结构中的任意单元体，如果其应力分量满足上述方程中的某一个，那么在该单元体处，就有相应模式的损伤发生；(2.2)利用步骤(3.1)建立的破坏准则，建立如下耐高温复合材料元件强度和刚度降阶模型：式中：σU为复合材料单层板初始强度；E(0)为复合材料单层板初始刚度；S(n,σ,k)为复合材料单层板疲劳剩余强度；E(n,σ,k)为复合材料单层板疲劳剩余刚度；Nf为复合材料单层板在应力σ及应力比k下的疲劳寿命；(2.3)基于强度和刚度降阶模型，对不同载荷工况下元件损伤响应进行分析。所述步骤(4)的实现方法为：(3.1)对强度和刚度降阶模型进行灵敏度分析，得到待拟合参数，进而得到以下待修正的强度和刚度降阶模型：其中c1、c2、c3、c4为待拟合参数；(3.2)计算每种工况下，实物试验得到的元件损伤响应数据与元件损伤分析方法得到的分析结果的拟合度；(3.3)所有工况下的拟合度取平均值，根据该平均值计算待拟合参数的具体数值，完成元件级损伤分析模型修正。所述步骤(7)的实现方法为：(4.1)计算每种工况下，实物试验得到的构件损伤响应数据与有限元分析结果的差值；(4.2)根据构件损伤响应数据与有限元分析结果的差值，通过灵敏度分析确定元件间连接参数的调整量，同时保证元件间连接参数在取值范围内，从而完成元件间连接关系的修正。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术建立元件级、构件级、组件及以上的损伤分析方法，并在每一层级选取典型产品进行实物数据，利用实物数据对损伤分析方法进行修正，实现了复合材料结构件多层级多修正的虚拟试验验证方法，降低了验证周期和成本，提高了验证准确度。附图说明图1为本专利技术方法流程图；图2为[0]16织物单向板强度退化曲线；图3为[0]16织物单向板刚度退化曲线；图4为开孔壁板剪切疲劳试验损伤分析有限元模型。具体实施方式本专利技术采用多层级的积木式的分析和修正方法，可以最大程度降低复合材料结构验证周期和成本，提高验证准确度。如图1所示，本专利技术具体步骤如下：(1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏机理模型。(2)根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法，根据该分析方法对不同载荷工况下元件损伤响应进行分析。根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法的步骤如下：(2.1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏准则：(a)纤维拉伸损伤，疲劳准则为：其中σxx≥0；(b)纤维压缩损伤，疲劳准则为：其中σxx<0；(c)基纤剪切，疲劳准则为：其中σxx<0；(d)基体开裂，疲劳准则为：其中σyy≥0；(e)基体挤压，疲劳准则为：其中σyy<0；(f)层间拉伸损伤，疲劳准则为：其中σzz≥0；(g)层间压缩损伤，疲劳准则为：其中σzz<0；式中，σij为各单元的应力分量，i、j分别取x、y、z其中一项，x、y、z与材料各主方向相互对应；XT(n,σ,k)、YT(n,σ,k)和ZT(n,σ,k)分别为拉-拉疲劳载荷下，加载到一定周期时，复合材料单层板的纵向强度、横向强度和法向强度；XC(n,σ,k)、YC(n,σ,k)和ZC(n,σ,k)分别为压-压疲劳载荷下，加载到一定周期时，复合材料单层板的纵向强度、横向强度和法向强度；Sxy(n,σ,k)、Sxz(n,σ,k)和Syz(n,σ,k)分别为剪切疲劳载荷下，复合材料单层板的剪切强度，其中n为疲劳载荷循环次数，σ为应力，k为应力比。对于结构中的任意单元体，如果其应力分量满足上述方程中的某一个，那么在该单元体处，就有相应模式的损伤发生。(2.2)利用破坏准则，建立如下耐高温复合材料元件强度和刚度降阶模型：式中：σU——复合材料单层板初始强度；E(0)——复合材料单层板初始刚度；S(n,σ,k)——复合材料单层板疲劳剩余强度；E(n,σ,k)——复合材料单层板疲劳剩余刚度；Nf——复合材料单层板在应力σ及应力比k下的疲劳寿命。(2.3)基于强度和刚度降阶模型，对不同载荷工况下元件损伤响应(疲劳寿命)进行分析。(3)选取典型耐高温复合材料元件进本文档来自技高网...

【技术保护点】
耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏机理模型；(2)根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法，根据该分析方法对不同载荷工况下元件损伤响应进行分析；(3)选取典型耐高温复合材料元件进行实物试验，得到步骤(2)所述各种载荷工况下对应的元件损伤响应数据；(4)利用步骤(3)得到的元件损伤响应数据对步骤(2)的元件损伤分析方法进行修正；(5)根据修正后的元件损伤分析方法获得元件损伤响应规律，基于元件损伤响应规律和元件间连接关系，利用有限元方法对不同载荷工况下构件损伤响应进行分析；(6)选取典型耐高温复合材料构件进行实物试验，得到步骤(5)所述各种载荷工况下对应的构件损伤响应数据；(7)利用步骤(6)得到的构件损伤响应数据对步骤(5)元件间连接关系进行修正，得到修正后的元件间连接关系；(8)根据步骤(7)得到的修正后元件间连接关系和步骤(5)得到的元件损伤响应规律，利用有限元分析方法对不同载荷工况下组件、部段以及飞行器损伤响应进行分析，完成耐高温复合材料结构多层级多修正的虚拟试验验证。

【技术特征摘要】
1.耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏机理模型；(2)根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法，根据该分析方法对不同载荷工况下元件损伤响应进行分析；(3)选取典型耐高温复合材料元件进行实物试验，得到步骤(2)所述各种载荷工况下对应的元件损伤响应数据；(4)利用步骤(3)得到的元件损伤响应数据对步骤(2)的元件损伤分析方法进行修正；(5)根据修正后的元件损伤分析方法获得元件损伤响应规律，基于元件损伤响应规律和元件间连接关系，利用有限元方法对不同载荷工况下构件损伤响应进行分析；(6)选取典型耐高温复合材料构件进行实物试验，得到步骤(5)所述各种载荷工况下对应的构件损伤响应数据；(7)利用步骤(6)得到的构件损伤响应数据对步骤(5)元件间连接关系进行修正，得到修正后的元件间连接关系；(8)根据步骤(7)得到的修正后元件间连接关系和步骤(5)得到的元件损伤响应规律，利用有限元分析方法对不同载荷工况下组件、部段以及飞行器损伤响应进行分析，完成耐高温复合材料结构多层级多修正的虚拟试验验证。2.根据权利要求1所述的耐高温复合材料结构多失效模式损伤机理验证方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据破坏机理模型建立耐高温复合材料元件损伤分析方法的步骤如下：(2.1)建立耐高温复合材料在各失效模式下的破坏准则：(a)纤维拉伸损伤，疲劳准则为：其中σxx≥0；(b)纤维压缩损伤，疲劳准则为：其中σxx<0；(c)基纤剪切，疲劳准则为：其中σxx<0；(d)基体开裂，疲劳准则为：其中σyy≥0；(e)基体挤压，疲劳准则为：其中σyy<0；(f)层间拉伸损伤，疲劳准则为：其中σzz≥0；(g)层间压缩损...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玲，王悦，刘维玮，吴迪，王月，郭爱民，姚宇地，陈飞，曾亮，邓云飞，陈亦冬，徐喆，李丹圆，张涛，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11