复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核制造技术

本发明专利技术涉及复合材料设计领域，具体地说是一种复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核。包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块。在信息输入模块中输入材料性能信息、铺层信息及载荷数据信息，计算程序会根据输入的数据计算出复合材料层合板的三个刚度矩阵A、D、B，并根据A矩阵与D矩阵计算出纯面内载荷作用下及纯弯扭作用下的层合板等效模量及相应的等效刚度矩阵。同时根据层合板刚度矩阵与载荷信息计算得到层合板的整体应变及挠曲率，进一步可以得到每一单层的应力应变信息，通过采用三种复合材料失效准则，从而校核该层合板在规定载荷作用下是否满足强度要求。本发明专利技术极大地提高计算速度，并且对于简单受力情况下的层合板分析可以直接快速地得到应力应变精确数值解，提高设计效率。

【技术实现步骤摘要】
复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核
本专利技术涉及复合材料的结构设计领域，具体地说是一种计算复合材料层合板等效模量及在给定载荷作用下的强度校核程序。
技术介绍
众所周知，在复合材料有限元分析过程中，由于复合材料结构的复杂性及材料的各向异性，定义材料属性时往往需要进行繁琐的铺层信息输入，尤其是对于具有较多铺层或者较复杂结构的复合材料制件进行分析时，需要耗费大量的时间成本用于赋予材料属性。由于对称均衡铺层复合材料层合板没有拉弯、拉扭耦合，并且拉剪耦合系数又较小，通过等效模量方法简化材料属性赋予过程，对于平面应力问题或者纯弯扭问题既节约了时间成本，提高设计效率，又可以保证较高的计算精度。目前对承受面内拉压剪力作用或弯扭作用的层合板进行强度分析普遍使用有限元分析方法实现。使用有限元软件进行计算分析时会在载荷施加位置获得较真实应力更大的集中应力，这往往是设计人员不想得到的。这种集中应力使得有限元分析结果无法正确直观地反映层合板的受力情况，并且根据圣维南原理，该力只是局部效应，对于整体结构受力没有影响。而使用数值解法计算该种受力状态下的层合板内力时可以达到很高的计算精度，并且输入信息少，计算效率高，计算结果能够反映层合板整体的受力状态，因此对于该种问题，数值解法要优于有限元分析。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有的技术不足，提供一种计算复合材料层合板等效模量及在给定载荷作用下的强度校核程序，可以计算对称均衡铺层层合板的等效模量和等效刚度矩阵，简化有限元分析过程，降低分析复杂度，提高分析效率，并且针对层合板承受面内载荷或弯扭载荷作用进行高效数值求解应力应变，采用三种常用的失效准则校核层合板的强度值，为设计人员进行复合材料结构设计提供设计基础及依据。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块。输入数据并运行后，计算程序会根据信息输入模块中输入的数据先计算出每单层刚度矩阵，再根据铺层信息整合成层合板刚度矩阵。由层合板刚度矩阵可以计算得到纯面内载荷作用和纯弯扭载荷作用下的层合板等效模量及其等效刚度矩阵，并结合载荷信息得到总体应变，进一步结合铺层信息得到每单层的应力应变水平，根据最大应力准则、Tsai-Hill失效准则和Tsai-Wu失效准则判据判断该层合板在指定载荷作用下是否失效。所述的等效模量及强度校核计算程序，其信息输入模块包含有的信息分为材料性能信息、铺层信息与载荷数据信息三部分：材料性能信息包括内容有：各单层的轴向模量E1、横向模量E2、泊松比μ12、剪切模量G12，各单层的轴向拉伸强度Xt、横向拉伸强度Yt、轴向压缩强度Xc、横向压缩强度Yc、剪切强度S；铺层信息包括内容有：各单层的铺放次序ord、厚度t、铺层角度θ；载荷数据信息包括内容有：轴向拉压载荷Ndx、横向拉压载荷Ndy、面内剪切载荷Ndxy，轴向弯曲载荷Mdx、横向弯曲载荷Mdy、扭转载荷Mdxy(以上载荷均为层合板横截面上单位宽度(或长度)上的内力及内力距)。所述的等效模量及强度校核计算程序，运算模块的计算原理为：步骤1：根据输入的数据信息E1、E2、μ12、G12，利用公式(2-1)～(2-3)计算得到各单层的刚度矩阵Q。其中，将式(2-1)写成用应变表示应力的关系式：其中Q是二维刚度矩阵，由二维柔度矩阵S求逆。步骤2：计算得到的单层刚度矩阵Q通过整合铺层角度θ、顺序ord及厚度t信息，通过公式(2-4)～(2-9)计算得到层合板的整体刚度矩阵A、D、B。铺层角为θ时该单层在整体坐标x-y中的应力-应变关系如下：其中，T为坐标转换矩阵。考虑层合板是由多层单层板叠合而成，则第k层单层的应力-应变关系为：对于层合板有式中，Kx、Ky为板中面弯曲挠曲率，Kxy为板中面扭曲率，ε0x、ε0x、γ0xy为中面应变。设Nx、Ny、Nxy、Mx、Mx、Mxy为层合板横截面上单位宽度(或长度)的内力与内力距，则其与层合板的应力应满足公式(1-9)：因此，层合板的内力、内力距与应变的关系转化为简写为则获得了层合板刚度矩阵A、D、B。步骤3：根据获得的A、D、B矩阵，对于对称均衡铺层复合材料层合板，不存在拉弯耦合，因此B矩阵为空矩阵；由于A16、A26、D16、D26项内存在正负交替项，因此其数值比其他刚度系数要小很多，计算时可作简化。a.对于纯面内载荷作用情况下，没有弯扭载荷M，因此层合板内力与应变关系为N＝Aε0(2-10)从而通过A矩阵经计算可以得到层合板的等效模量参数E1、E2、μ12、G12及等效刚度矩阵Q。b.对于纯弯扭载荷作用情况下，没有面内载荷N，因此层合板内力距与应变关系为M＝DK(2-11)从而通过D矩阵经计算可以得到层合板的等效模量参数E1W、E2W、μ12W、G12W及等效刚度矩阵QW。步骤4：根据获得的A、D、B矩阵，以及指定的外部载荷Ndx、Ndy、Ndxy、Mdx、Mdy、Mdxy，通过公式(2-9)可以反推出内力、内力距表示应变和曲率的柔度关系式为：因此可以计算得到层合板整体的应变分量，然后利用公式(2-6)可以求得不同单层的应变分量εx、εx、γxy，再由公式(2-4)及应力转换公式可以得到每一铺层在整体坐标x-y及主方向坐标1-2下的应力水平σx、σy、τxy、σ1、σ2、τ12。步骤5：根据计算得到的主方向上的应力水平数据σ1、σ2、τ12，分别采用以下三种强度判断准则进行复合材料层合板的强度校核：a.最大应力准则：式中，Xt、Yt为轴向和横向的拉伸强度，Xc、Yc为轴向和横向的压缩强度，S为剪切强度。b.Tsai-Hill失效准则：式中，X、Y分别对应轴向和横向强度(拉伸与压缩的判断取决于应力是正值还是负值)，S为剪切强度。c.Tsai-Wu失效准则：式中F12取通过各失效准则判断各单层是否失效，从而得出在指定载荷作用下的复合材料层合板是否满足强度要求。所述的等效模量及强度校核计算程序，其信息输出模块输出的信息包含有：a.层合板在纯面内载荷作用下的等效模量E1、E2、μ12、G12及纯弯扭载荷作用下的等效模量E1W、E2W、μ12W、G12W，以及两种载荷情况下的刚度矩阵Q、QW。b.在指定载荷作用下的各铺层材料主应力S11(即σ1)、S22(即σ2)、S12(即τ12)；c.基于三种复合材料失效准则的强度校核结果，即基于最大应力准则、Tsai-Hill准则、Tsai-Wu准则的强度校核结果。本专利技术的有益效果是，使用了三种复合材料强度失效准则来判断层合板是否满足强度条件，并将该程序与复合材料层合板等效模量计算程序系统地结合于一体。本专利技术整合了复合材料层合板等效模量的计算方法以及层合板的强度校核方法，并使用计算机语言编制了完整的包含输入、运算及输出三部分的计算程序，使用者只需在输入模块中对应位置键入材料参数、铺层信息及载荷信息，即可快速地获得复合材料层合板的等效模量数据和强度校核结果，免去了在有限元分析软件中进行模型绘制、网格划分、分析步建立、边界条件设置等复杂过程，并且由数值解法得到的计算结果具有更高的精度。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述：实施例1：包含信息输入模块、运算模块与信息输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，其特征在于：包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块；输入数据并运行后，计算程序会根据信息输入模块中输入的数据先计算出每单层刚度矩阵，再根据铺层信息整合成层合板刚度矩阵；由层合板刚度矩阵可以计算得到纯面内载荷作用和纯弯扭载荷作用下的层合板等效模量及其等效刚度矩阵，并结合载荷信息得到总体应变，进一步结合铺层信息得到每单层的应力应变水平，根据最大应力准则、Tsai‑Hill失效准则和Tsai‑Wu失效准则判据判断该层合板在指定载荷作用下是否失效。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，其特征在于：包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块；输入数据并运行后，计算程序会根据信息输入模块中输入的数据先计算出每单层刚度矩阵，再根据铺层信息整合成层合板刚度矩阵；由层合板刚度矩阵可以计算得到纯面内载荷作用和纯弯扭载荷作用下的层合板等效模量及其等效刚度矩阵，并结合载荷信息得到总体应变，进一步结合铺层信息得到每单层的应力应变水平，根据最大应力准则、Tsai-Hill失效准则和Tsai-Wu失效准则判据判断该层合板在指定载荷作用下是否失效。2.根据权利要求1所述复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，其特征在于所述的信息输入模块包含有的信息分为材料性能信息、铺层信息与载荷数据信息三部分；其中材料性能信息包括内容有：各单层的轴向模量E1、横向模量E2、泊松比μ12、剪切模量G12，各单层的轴向拉伸强度Xt、横向拉伸强度Yt、轴向压缩强度Xc、横向压缩强度Yc、剪切强度S，铺层信息包括内容有：各单层的铺放次序ord、厚度t、铺层角度θ，载荷数据信息包括内容有：轴向拉压载荷Ndx、横向拉压载荷Ndy、面内剪切载荷Ndxy，轴向弯曲载荷Mdx、横向弯曲载荷Mdy、扭转载荷Mdxy；以上载荷均为层合板横截面上单位宽度或长度上的内力及内力距。3.根据权利要求1所述复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，其特征在于根据所述的输入的数据信息利用公式(1-1)～(1-3)计算得到各单层的刚度矩阵Q；其中，将式(1-1)写成用应变表示应力的关系式：其中Q是二维刚度矩阵，由二维柔度矩阵S求逆。4.根据权利要求3所述复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，其特征在于计算得到所述的单层刚度矩阵Q通过整合铺层角度θ、顺序ord及厚度t信息，通过公式(1-4)～(1-9)计算得到层合板的整体刚度矩阵A、D、B；铺层角为θ时该单层在整体坐标x-y中的应力-应变关系如下：其中，T为坐标转换矩阵；考虑层合板是由多层单层板叠合而成，则第k层单层的应力-应变关系为：对于层合板有式中，Kx、Ky为板中面弯曲挠曲率，Kxy为板中面扭曲率，ε0x、ε0x、γ0xy为中面应变；设Nx、Ny、Nxy、Mx、Mx、Mxy为层合板横截面上单位宽度(或长度)的内力与内力距，则其与层合板的应力应满足公式(1-7)：因此，层合板的内力、内力距与应变的关系可以转化为简写为则获得了层合板刚度矩阵A、D、B。5.根据权利要求4所述复合材料层合板等效模量计算及给定载荷下的强度校核，其特征在于根据获得所述的A...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛庆，曾秋云，倪亭，隋显航，殷飞，
申请(专利权)人：威海光威复合材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37