基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法技术

本发明专利技术涉及复合材料设计领域，具体地说是一种基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法。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，并计算出相应的柔度矩阵A’、D’、B’。然后根据层合板柔度矩阵与基础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主方向应力应变及整体坐标下的应力应变信息，利用最大应力或者最大应变失效准则，得到基础载荷作用下应力与极限强度比值的最大值。由于载荷与应力应变之间是线性相关关系，故可以根据比值最大值求得复合材料层板的最小失效载荷。

【技术实现步骤摘要】
基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法
本专利技术涉及复合材料的结构设计领域，具体地说是一种基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法。
技术介绍
众所周知，在对复合材料层合板在简单载荷(沿截面均匀分布的拉伸、压缩、剪切、弯曲)作用下的应力应变响应分析，目前一般有两种分析方法：一种是根据《复合材料力学》等资料中的基本力学知识通过机械计算或者简单编程，进行繁杂而冗长地复合材料层合板性能计算。计算过程中由于缺乏系统性和连续性，在进行大量数据的转移或输入时往往容易出现混杂，还需要进行大量地重复性工作，尤其是对于铺层较复杂的层合板，在计算各个刚度矩阵时就面临着巨大的数据计算量和处理量，因此非常耗费时间与精力，得到的结果也难以验证；另一种是采用有限元方法进行计算，该种方法往往需要借助各种有限元计算软件，因此显著减少了计算人员的工作量。但目前大多数有限元软件面向的是通用性的大型较复杂结构的有限元分析，对于该种简单载荷作用的复合材料层合板，有限元软件要求中的很多参数在计算过程中并不参与使用，操作过程也是按照复杂大型结构分析的过程进行，因此许多过程中的冗余反而降低了计算效率。并且有限单元法得到的计算结果无法反应层合板整体的受力情况，其固有的属性也限制了其计算得到的数值只是实际数值的近似解，并且无法直接得到复合材料层合板在简单载荷作用下的极限强度值。
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，提供一种基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，可以准确高效地得到复合材料层板在极限拉伸、极限压缩、极限剪切以及极限弯曲情况下基于最大应力(应变)失效准则的最小失效载荷，该结果可以反应层板整体的应力应变水平，并且其中计算得到的参数均可提取输出，为复合材料结构设计人员在进行铺层结构设计过程中提供设计依据。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种复基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，其特征在于：包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块，其中运算模块又分为三个子模块，分别为基础材料属性计算模块、典型应力应变响应计算模块以及强度及失效形式计算模块。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及柔度矩阵。然后根据层合板柔度矩阵与基础载荷信息(拉伸、压缩、剪切、弯曲，扭转与加载截面形状有关，故不考虑在内)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主方向应力应变及整体坐标下的应力应变信息，利用最大应力或者最大应变失效准则，得到基础载荷作用下应力(或应变)与极限强度比值的最大值。由于载荷与应力应变之间是线性相关关系，故可以根据比值最大值求得复合材料层板的最小失效载荷，即极限强度。通过确定比值最大值所在的铺层及应力应变信息，得到极限载荷下失效铺层的层数及最可能的失效形式。所述的极限载荷计算程序，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为应力水平系数o，该系数直接影响到基础载荷数据的大小。所述的极限载荷计算程序，运算模块的计算原理为：根据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(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。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)的内力与内力矩，则其与层合板的应力应满足公式(2-9)：因此，层合板的内力、内力矩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。根据获得的A、D、B矩阵，以及基础载荷数据o(基础载荷数据对应四种基本工况，即拉伸、压缩、剪切、弯曲)，通过公式(2-9)可以反推出内力、内力矩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、εy、γxy，通过应变转轴公式可以得到主方向坐标1-2下各单层的应变水平ε1、ε2、γ12，再由公式(2-4)及应力转轴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。据计算得到的主方向上的应力水平数据σ1、σ2、τ12、ε1、ε2、γ12，可以选择采用以下两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.最大应变准则：式中，εXt、εXc分别是轴向1方向最大拉伸、最大压缩线应变，εYt、εYc分别是横向2方向最大拉伸、最大压缩线应变，γS为1-2平面内最大剪应变。利用相应强度准则的代数关系，可求得基础载荷作用下应力(或应变)与极限强度比值的最大值Bmax。由于载荷与应力应变之间满足线性相关关系，因此可以直接通过该最大值求得复合材料层合板的最小失效载荷系数Nt，该系数与基础载荷o的乘积即为复合材料层板的最小失效载荷，即极限载荷。确定最小失效载荷后，根据应力(或应变)与极限强度比值最大值Bmax所在的铺层及类型特征，可以知道在达到最小失效载荷后哪些铺层的哪一种或几种应力(应变)水平达到极限，从而确定最有可能发生失效的铺层及失效形式。所述的极限载荷计算程序，信息输出模块输出的信息包含有最小失效载荷(或者最小失效载荷与基础载荷的比值)、失效所在层数、最可能的失效形式。计算过程中的任意参数也可根据需要参与输出。本专利技术的有益效果是，通过对复合材料层合板铺层信息的整合计算得到该层合板在简单载荷作用下的最小失效载荷，即其极限载荷。本专利技术旨在便于复合材料设计人员得到复合材料层合板的极限拉伸、极限压缩、极限剪切、极限弯曲载荷，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、铺层信息及载荷系数，即可快速地获得复合材料层合板的极限载荷数据及发生失效的铺层位置与应力应变类型，简化了纯机械手动计算的繁琐过程，降低失误率，也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1：一种复基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块，其中运算模块又分为三个子模块，分别为基础材料属性计算模块、典型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，其特征在于：包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块，其中运算模块又分为三个子模块，分别为基础材料属性计算模块、典型应力应变响应计算模块以及强度及失效形式计算模块；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及柔度矩阵；然后根据层合板柔度矩阵与基础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主方向应力应变及整体坐标下的应力应变信息，利用最大应力或者最大应变失效准则，得到基础载荷作用下应力与极限强度比值的最大值；由于载荷与应力之间是线性相关关系，故可以根据比值最大值求得复合材料层板的最小失效载荷，即极限强度；通过确定比值最大值所在的铺层及应力应变信息，得到极限载荷下失效铺层的层数及最可能的失效形式。

【技术特征摘要】
1.一种基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，其特征在于：包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块，其中运算模块又分为三个子模块，分别为基础材料属性计算模块、典型应力应变响应计算模块以及强度及失效形式计算模块；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及柔度矩阵；然后根据层合板柔度矩阵与基础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主方向应力应变及整体坐标下的应力应变信息，利用最大应力或者最大应变失效准则，得到基础载荷作用下应力与极限强度比值的最大值；由于载荷与应力之间是线性相关关系，故可以根据比值最大值求得复合材料层板的最小失效载荷，即极限强度；通过确定比值最大值所在的铺层及应力应变信息，得到极限载荷下失效铺层的层数及最可能的失效形式。2.根据权利要求1所述基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，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。3.根据权利要求2所述基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，其特征在于所述的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。4.根据权利要求2所述基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，其特征在于所述的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。5.根据权利要求2所述基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，其特征在于所述的载荷数据信息包括内容为应力水平系数o，该系数直接影响到基础载荷数据的大小。6.根据权利要求1所述基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法，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。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛庆，隋显航，殷飞，王鹏远，
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