复合材料层合板等效方法技术

本发明专利技术公开的复合材料层合板等效方法，包括如下步骤：获取多层材料的每层材料的材料性能信息；在空间三维坐标系中，获取多层材料的每层材料的铺层信息；依据每层材料的材料性能信息获取每层各自的6×6阶柔度矩阵和6×6阶刚度矩阵；以铺层信息为依据，对6×6阶柔度矩阵S和6×6阶刚度矩阵C进行整合，获得多层材料的层合板刚度矩阵C

Equivalent method of composite laminates

【技术实现步骤摘要】
复合材料层合板等效方法
本专利技术属于复合材料
，具体涉及复合材料层合板等效方法。
技术介绍
复合材料与传统材料相比，具有比强度高，比模量高，质量轻，抗疲劳性能好等优点，并已应用于航空航天飞行器的主结构中。质轻、高效、低成本的复合材料结构技术已经成为航空发达国家的研究重点。因而，亟需发展和提升复合材料结构的设计与分析技术。随着计算机技术和有限元软件的发展，目前有限元分析方法已经成为复合材料结构设计和分析的主要手段。但由于复合材料结构一般采用预浸料铺叠而成，沿厚度方向的层间强度薄弱，因而需要深入了解沿铺层厚度方向的应力水平，而传统的二维有限元模型往往将复合材料层压板作为一个各向异性的均质体，基于等效层压板的概念建立二维模型，难以得到复合材料铺层真实的应力场。采用三维有限元模型可以得到比较精确的应力分布，但建模工作、计算分析规模和计算工作均巨大，不便于工程推广应用。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，往往需要耗费大量的时间成本用于赋予材料属性。目前工程中对于这种问题比较有效的解决方案就是通过等效模量的方法简化材料属性赋予过程，提高设计效率，又可以保证较高的计算精度。等效模量普遍所指的是在垂直于层合板厚度方向的平面内的面内模量，即轴向弹性模量E1、横向弹性模量E2、面内泊松比ν21、面内剪切模量G12。但是这种方法在面对面外方向的应力应变等相关问题时并不能给予有效解决方案。
技术实现思路
本专利技术公开的复合材料层合板等效方法，提供了一种计算复合材料层合板等效工程常数的计算机辅助计算模拟方法，可以计算复合材料层合板等效工程常熟参数，简化有限元分析中材料属性赋予过程，降低分析复杂度，提高分析效率，为设计人员进行复合材料结构设计提供设计基础及依据。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法，包括如下步骤：获取多层材料的每层材料的材料性能信息；在空间三维坐标系中，获取多层材料的每层材料的铺层信息；依据每层材料的材料性能信息获取每层各自的6×6阶柔度矩阵和6×6阶刚度矩阵；以铺层信息为依据，对6×6阶柔度矩阵S和6×6阶刚度矩阵C进行整合，获得多层材料的层合板刚度矩阵CL，层合板刚度矩阵等效为单层板刚度矩阵，计算并输出层合板等效工程常数。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，材料性能信息至少包括轴向弹性模量E1和/或横向弹性模量E2和/或面外弹性模量E3和/或面内泊松比ν21和/或1-3方向平面泊松比ν31和/或2-3方向平面泊松比ν32和/或面内剪切模量G12和/或1-3方向平面剪切模量G13和/或2-3方向平面剪切模量G23。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，铺层信息至少包括铺放次序ord和/或厚度t和/或铺层角度θ。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，层合板等效工程常数至少包括轴向弹性模量E1和/或横向弹性模量E2和/或面外弹性模量E3和/或面内泊松比ν21和/或1-3方向平面泊松比ν31和/或2-3方向平面泊松比ν32和/或面内剪切模量G12和/或1-3方向平面剪切模量G13和/或2-3方向平面剪切模量G23。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，6×6阶柔度矩阵S，其为：本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，6×6阶柔度矩阵S与所述6×6阶刚度矩阵C互为逆矩阵。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，层合板刚度矩阵CL满足：其中Nx、Ny、Nxy为层合板横截面上单位宽度或长度的内力，Nz为层合板单位厚度上的内力，Nxz、Nyz为xoz及yoz平面上单位宽度或长度的剪切内力；ε0x、ε0y、ε0z、γ0yz、γ0xz、γ0xy为各方向的中面应变；为层合结构的刚度系数。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，层合结构的刚度系数满足：其中C11，C12，…，C66称为刚度系数，n为不大于6的正整数，Zk指各单层坐标。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，层合板等效工程常数为由层合板刚度矩阵CL并依据正交各向异性材料刚度矩阵与工程弹性常数关系逆向求解获得。本专利技术公开的复合材料层合板等效方法的一种改进，层合板等效工程常数包括轴向弹性模量E1和/或横向弹性模量E2和/或面外弹性模量E3和/或面内泊松比ν21和/或1-3方向平面泊松比ν31和/或2-3方向平面泊松比ν32和/或面内剪切模量G12和/或1-3方向平面剪切模量G13和/或2-3方向平面剪切模量G23。具体地讲：本专利技术公开的复合材料层合板等效方法：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，计算方法会根据信息输入模块中输入的数据先计算出每单层6×6柔度矩阵S和6×6刚度矩阵C，再根据铺层信息整合成层合板刚度矩阵CL，通过将层合板刚度矩阵等效成单层板刚度矩阵，逆向计算得到层合板等效工程常数参数。优选地，信息输入模块包含有的信息分为材料性能信息与铺层信息两部分。优选地，材料性能信息包括内容有：各单层的轴向弹性模量E1、横向弹性模量E2、面外弹性模量E3，面内泊松比ν21、1-3方向平面泊松比ν31、2-3方向平面泊松比ν32，面内剪切模量G12、1-3方向平面剪切模量G13、2-3方向平面剪切模量G23。优选地，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。优选地，由于复合材料层合板的各单层属于正交各向异性材料，因此根据输入的数据信息可利用公式(1-1)～(1-5)计算得到各单层的6×6柔度矩阵S与6×6刚度矩阵C。式中，ε为单层复合材料的应变分量，ε1为纤维轴向应变，ε2为纤维横向应变，ε3为面外法向应变，γ23为2-3方向剪切应变，γ13为1-3方向剪切应变，γ12为1-2方向剪切应变。σ为同单层复合材料的应力分量，σ1为纤维轴向应力，σ2为纤维横向应力，σ3为面外法向应力，τ23为2-3方向剪切应力，τ13为1-3方向剪切应力，τ12为1-2方向剪切应力。其中，式中，S11，S12，…，S66称为柔度系数。由于刚度矩阵C与柔度矩阵S互为逆矩阵关系，即S-1＝C，可根据线性代数求得C与S各系数有如下关系：式中，C11，C12，…，C66称为刚度系数。其中，其中，S＝S11S22S33-S11S232-S22S132-S33S122+2S12S13S23。将刚度矩阵由工程弹性常数表示，则得优选地，计算得到的单层刚度矩阵C通过整合铺层角度θ、顺序ord及厚度t信息，通过公式(1-6)～(1-10)计算得到层合板的整体刚度矩阵CL。铺层角为θ时该单层在整体坐标xoy中的应力-应变关系如下：式中，为转角为θ的偏轴刚度系数。其中，T为坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.复合材料层合板等效方法，包括如下步骤：/n获取多层材料的每层材料的材料性能信息；/n在空间三维坐标系中，获取多层材料的每层材料的铺层信息；/n依据每层材料的材料性能信息获取每层各自的6×6阶柔度矩阵和6×6阶刚度矩阵；/n以铺层信息为依据，对6×6阶柔度矩阵S和6×6阶刚度矩阵C进行整合，获得多层材料的层合板刚度矩阵C

【技术特征摘要】
1.复合材料层合板等效方法，包括如下步骤：
获取多层材料的每层材料的材料性能信息；
在空间三维坐标系中，获取多层材料的每层材料的铺层信息；
依据每层材料的材料性能信息获取每层各自的6×6阶柔度矩阵和6×6阶刚度矩阵；
以铺层信息为依据，对6×6阶柔度矩阵S和6×6阶刚度矩阵C进行整合，获得多层材料的层合板刚度矩阵CL，层合板刚度矩阵等效为单层板刚度矩阵，计算并输出层合板等效工程常数。


2.根据权利要求1所述的复合材料层合板等效方法，其特征在于：所述材料性能信息包括轴向弹性模量E1、横向弹性模量E2、面外弹性模量E3、面内泊松比ν21、1-3方向平面泊松比ν31、2-3方向平面泊松比ν32、面内剪切模量G12、1-3方向平面剪切模量G13、2-3方向平面剪切模量G23。


3.根据权利要求1所述的复合材料层合板等效方法，其特征在于：所述铺层信息包括铺放次序ord、厚度t和/或铺层角度θ。


4.根据权利要求1所述的复合材料层合板等效方法，其特征在于：所述层合板等效工程常数至少包括轴向弹性模量E1和/或横向弹性模量E2和/或面外弹性模量E3和/或面内泊松比ν21和/或1-3方向平面泊松比ν31和/或2-3方向平面泊松比ν...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛庆，杨佳成，曾秋云，殷飞，隋显航，
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