一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，步骤：(1)根据复合材料力学试验，获得单层板力学性能分布特征参数和数值模拟样本点；(2)开始循环，利用刚度矩阵及铺层角度，计算单层板转换刚度矩阵；(3)根据层合板构成形式，计算层合板拉伸、耦合及弯曲刚度；(4)基于本构方程计算层合板中面应变及单层板主应力；(5)将主应力代入失效准则计算强度比，将最小强度比对应单层板性能退化；(6)重复步骤(2)～(5)，直到强度比小于1停止计算，输出终层失效强度；(7)重复步骤(2)～(6)，直到循环结束，得到层合板强度分布范围。本发明专利技术可以有效预测含不确定参数层合板的终层失效强度分布特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料层合板终层失效强度预测方法的研究，特别涉及一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，考虑层合板力学性能参数的不确定性和基于终层失效破坏理论下的层合板强度分布信息的确定，包括上界和下界，以保证复合材料层合板强度预测的正确性和有效性，亦为层合板终层强度可靠性优化奠定了理论基础。
技术介绍
复合材料层合板具有质量轻、比强度高和可自由设计等优点，近年来已广泛应用于汽车、机械、航空航天和军事领域。对其结构以及损伤和破坏规律等进行研究，具有强大的工程实际意义。一方面，复合材料层合板的强度行为受组分材料、界面性质、层合结构、载荷、环境等多种因素的影响和制约，不可避免地包含许多不确定因素，使得复合材料的强度很难用一种明确的关系。因此，发展一种可以预测复合材料强度的方法就显得尤为重要。另一方面，复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相当复杂，复合材料初始缺陷影响和损伤在跨层次结构中的发展、蔓延、传播并最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此，如何建立复合材料有效性能试验表征与评价体系，发展高精度的预报理论与方法，给出科学合理的复合材料结构失效判据，定量化评价复合材料结构的可靠性和安全性，是复合材料工作者面临的重要课题。对于复合材料的研究已从以前的实验研究到理论性模拟，复合材料的强度分析亦受到国内外科研人员的重视和大量研究。关于层合板的强度有两种基本的考虑方法。第一种方法认为：层合板的任何一层破坏，则认为层合板破坏，称为初始层破坏假定。另一种考虑是：层合板内某个单层破坏后，层合板还可继续承担载荷，只有当所有单层破坏之后，才认定层合板破坏，称为最终层破坏假定。针对大多数工程结构而言，单层的破坏不会导致结构本身的失效，因此，开展复合材料层合板结构的强度预测及终层失效分析是设计复合材料结构时所必需解决的关键问题，是安全、经济地应用复合材料的前提。在这方面，相关研究已有一些。然而需要强调的是：复合材料终层强度的失效分析并没有考虑不确定力学参数的影响，因此得到的失效强度往往不能充分表征层合板结构的强度特性，进而限制了层合板结构应用范围和有效性。因此，如何综合考虑复合材料的力学性能参数不确定性，基于建立的终层破坏理论，对层合板结构强度给出合理的预测是一项值得研究的问题。为了精确预测层合板的终层失效强度，同时考虑不确定力学性能参数的影响，利用非统计度量方法对不确定力学性能参数进行合理度量，进而利用Monte Carlo模拟方法基于终层失效破坏理论给出层合板的终层失效强度的分布特征，是一种简单有效地实现层合板结构强度精确预测的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：基于层合板终层破坏失效的合理假设，考虑复合材料层合板的不确定力学参数存在的影响，利用Monte Carlo模拟方法简单有效的特点，针对航空航天工程中复合材料层合板结构的强度精确预测和失效判断问题，提供一种简单有效的基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法。本专利技术采用的技术方案为：一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，实现步骤如下：第一步：根据复合材料单层板力学性能试验，包括纵向拉伸试验、横向拉伸试验以及面内剪切试验得到的力学性能参数有限数据样本点，具体指纵向拉伸弹性模量E1、横向拉伸弹性模量E2、泊松比v12以及剪切模量G12，形成矩阵其中x1(1),x1(2),…xm(p)是试验数据，m为单层板力学参数的个数，p为每个参数样本数据的个数；利用非统计度量方法灰度理论或信息熵理论对有限样本数据进行筛选评估，并进行标准不确定度评定，得到力学性能参数的不确定分布表征参数，上界和下界X；进而随机均匀生成Monte Carlo模拟数据样本点Xi,i＝1,2,…,n，n为样本点的总个数，样本总个数n为105～107；第二步：基于第一步得到的复合材料单层板力学性能Monte Carlo模拟数据样本点Xi,i＝1,2,…,n，开始循环，令i＝1，选择力学性能样本数据点Xi，利用二维刚度矩阵[Q]及层合板铺层角度θl,l＝1,2,…,N，计算每层单层板的转换刚度矩阵其中N为层合板的总铺层数；其中转换刚度矩阵的的具体计算方式如下： [ Q ‾ ] l = [ T ] l - 1 [ Q ] [ [ T ] l - 1 ] T ]]>式中[T]为坐标转换矩阵，上表-1表示矩阵的逆运算，上表T表示矩阵的转置。[T]的展开式为： [ T ] = cos 2 θ sin 2 θ 2 sin θ cos θ sin 2 θ cos 2 θ - 2 sin 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，其特征在于实现步骤如下：第一步：根据复合材料单层板力学性能试验得到的力学性能参数有限数据样本点，形成矩阵其中x1(1),x1(2),…xm(p)是试验数据，m为单层板力学参数的个数，p为每个参数样本数据的个数；利用非统计度量方法对有限样本数据进行筛选评估，得到力学性能参数的不确定分布表征参数，上界和下界X；进而随机均匀生成Monte Carlo模拟数据样本点Xi,i＝1,2,…,n，n为样本点的总个数；第二步：基于第一步得到的复合材料单层板力学性能Monte Carlo模拟数据样本点Xi,i＝1,2,…,n，开始循环，令i＝1，选择力学性能样本数据点Xi，利用二维刚度矩阵[Q]及层合板铺层角度θl,l＝1,2,…,N，计算每层单层板的转换刚度矩阵其中N为层合板的总铺层数；第三步：基于第二步得到的转换刚度矩阵及其每项根据层合板的构成形式，计算层合板的拉伸刚度矩阵[A]、耦合刚度矩阵[B]以及弯曲刚度矩阵[D]，即：Aij=Σk=1N(Q‾ij)k(zk-zk-1),Bij=12Σk=1N(Q‾ij)k(zk2-zk-12),Dij=13Σk=1N(Q‾ij)k(zk3-zk-13)]]>式中Aij,Bij,Dij分别为拉伸刚度矩阵、耦合刚度矩阵以及弯曲刚度矩阵对应的刚度系数；表示第k层单层板的转换刚度系数，zk为各单层厚度上坐标，zk‑1为各单层厚度下坐标；第四步：基于第三步得到的拉伸刚度矩阵[A]、耦合刚度矩阵[B]以及弯曲刚度矩阵[D]，利用本构方程计算得到：ϵ0K=abbdNM]]>式中N＝[Nx Ny Nxy]T是单位宽度面内合力，其中Nx和Ny分别为层合板x方向和y方向的拉力或压力，Nxy为剪切力；M＝[Mx My Mxy]T为单位宽度弯矩和扭矩，其中Mx和My分别为绕y方向和x方向的弯矩，Mxy为扭矩；是中面应变，其中和分别为x方向和y方向的中面拉应变或压应变，为中面切应变；K＝[Kx Ky Kxy]T是中面弯曲率和扭曲率，其中Kx和Ky分别为绕y方向和x方向的中面弯曲率，Kxy为中面扭曲率，进而计算层合板内任一单层的应变、主应变以及主应力；第五步：将第四步得到的每一单层主应力代入复合材料失效准则中，计算出每层对应的破坏指标以及强度比Rl,l＝1,2,…,N，将最小强度比Rmin对应的单层板性能进行退化；第六步：针对第五步得到的最小强度比Rmin，判断最小强度比是否小于1，如果不小于1，则外载荷放大Rmin倍，重复第二步～第五步，直到最小强度比小于1计算停止，确定终层失效强度Fi；第七步：判断循环次数i是否等于n，如果不等于n，则i＝i+1，重复第二步～第六步，如果等于n，则输出层合板失效强度分布范围，计算结束，完成了含不确定参数复合材料层合板的终层失效强度预测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，其特征在于实现步骤如下：第一步：根据复合材料单层板力学性能试验得到的力学性能参数有限数据样本点，形成矩阵其中x1(1),x1(2),…xm(p)是试验数据，m为单层板力学参数的个数，p为每个参数样本数据的个数；利用非统计度量方法对有限样本数据进行筛选评估，得到力学性能参数的不确定分布表征参数，上界和下界X；进而随机均匀生成Monte Carlo模拟数据样本点Xi,i＝1,2,…,n，n为样本点的总个数；第二步：基于第一步得到的复合材料单层板力学性能Monte Carlo模拟数据样本点Xi,i＝1,2,…,n，开始循环，令i＝1，选择力学性能样本数据点Xi，利用二维刚度矩阵[Q]及层合板铺层角度θl,l＝1,2,…,N，计算每层单层板的转换刚度矩阵其中N为层合板的总铺层数；第三步：基于第二步得到的转换刚度矩阵及其每项根据层合板的构成形式，计算层合板的拉伸刚度矩阵[A]、耦合刚度矩阵[B]以及弯曲刚度矩阵[D]，即： A i j = Σ k = 1 N ( Q ‾ i j ) k ( z k - z k - 1 ) , B i j = 1 2 Σ k = 1 N ( Q ‾ i j ) k ( z k 2 - z k - 1 2 ) , D i j = 1 3 Σ k = 1 N ( Q ‾ i j ) k ( z k 3 - z k - 1 3 ) ]]>式中Aij,Bij,Dij分别为拉伸刚度矩阵、耦合刚度矩阵以及弯曲刚度矩阵对应的刚度系数；表示第k层单层板的转换刚度系数，zk为各单层厚度上坐标，zk-1为各单层厚度下坐标；第四步：基于第三步得到的拉伸刚度矩阵[A]、耦合刚度矩阵[B]以及弯曲刚度矩阵[D]，利用本构方程计算得到： ϵ 0 K = a b b d N M ]]>式中N＝[Nx Ny Nxy]T是单位宽度面内合力，其中Nx和Ny分别为层合板x方向和y方向的拉力或压力，Nxy为剪切力；M＝[Mx My Mxy]T为单位宽度弯矩和扭矩，其中Mx和My分别为绕y方向和x方向的弯矩，Mxy为扭矩；是中面应变，其中和分别为x方向和y方向的中面拉应变或压应变，为中面切应变；K＝[Kx Ky Kxy]T是中面弯曲率和扭曲率，其中Kx和Ky分别为绕y方向和x方向的中面弯曲率，Kxy为中面扭曲率，进而计算层合板内任一单层的应变、主应变以及主应力；第五步：将第四步得到的每一单层主应力代入复合材料失效准则中，计算出每层对应的破坏指标以及强度比Rl,l＝1,2,…,N，将最小强度比Rmin对应的单层板性能进行退化；第六步：针对第五步得到的最小强度比Rmin，判断最小强度比是否小于1，如果不小于1，则外载荷放大Rmin倍，重复第二步～第五步，直到最小强度比小于1计算停止，确定终层失效强度Fi；第七步：判断循环次数i是否等于n，如果不等于n，则i＝i+1，重复第二步～第六步，如果等于n，则输出层合板失效强度分布范围，计算结束，完成了含不确定参数复合材料层合板的终层失效强度预测。2.根据权利要求1所述的一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，其特征在于：所述第一步中的单层板力学性能试验指纵向拉伸试验、横向拉伸试验以及面内剪切试验；力学性能参数指纵向拉伸弹性模量E1、横向拉伸弹性模量E2、泊松比v12以及剪切模量G12；非统计度量方法指灰度理论、信息熵理论。3.根据权利要求1所述的一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，其特征在于：所述第一步中的样本总个数n为105～107。4.根据权利要求1所述的一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法，其特征在于：所述第二步中的转换刚度矩阵的的具体计算方式如下： [ Q ‾ ] l = [ T ] l - 1 [ Q ] [ [ T ] l - 1 ] T ]]>式中[T]为坐标转换矩阵，上表-1表示矩阵的逆运算，上表T表示矩阵的转置，[T]的展开式为： [ T ] = cos 2 θ sin 2 θ 2 sin θ cos θ ...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志平，陈潇，王晓军，王磊，耿新宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11