一种预测复合材料层合板失效强度的方法技术

本发明专利技术公开的一种预测复合材料层合板失效强度的方法，包含以下顺序的步骤：步骤一、建立复合材料层合板有限元模型；步骤二、建立复合材料损伤本构模型；步骤三、基于ABAQUS‑VUMAT有限元用户动态子程序模块，使用FORTRAN语言编写用户自定义子程序实现提出的损伤本构模型，以求解应力、应变和损伤；步骤四、对有限元模型进行计算，预测复合材料层合板的失效强度。本发明专利技术利用ABAQUS‑VUMAT用户自定义子程序来数值实现所建立的三维损伤本构模型，该模型同时考虑了剪切非线性和损伤累积导致材料性能退化的影响，能准则预测复合材料的失效强度。

A method for predicting the failure strength of composite laminates

【技术实现步骤摘要】
一种预测复合材料层合板失效强度的方法
本专利技术涉及复合材料力学性能分析领域，特别涉及一种预测复合材料层合板失效强度的方法。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料具有高比模量和比强度、优良的能量吸收性能，特别是各向刚度与强度可设计性等特点，广泛应用在航空航天、军事、海洋、土木和机械等工程领域。由于基体材料具有塑性特点，已有大量实验研究表明很多纤维增强树脂基复合材料(如AS4/3501-6、AS4/PEEK和T300/914等)展现出显著的非线性力学行为。Lafarie-Frenot等(LAFARIE-FRENOTMC,TOUCHARDF.Comparativein-planeshearbehaviouroflong-carbon-fibrecompositeswiththermosetorthermoplasticmatrix[J].CompositesScienceandTechnology,1994,52(3):417-25.)对T300/914碳纤维/环氧树脂及AS4/PEEK碳纤维/热塑性树基[±45°]复合材料层合板进行了加/卸载反复拉伸试验，试验表明，这两种材料展现出显著的残余应变。Carlsson等(CARLSSONLA,ARONSSONCG,BCKLUNDJ.Notchsensitivityofthermosetandthermoplasticlaminatesloadedintension[J].JournalofMaterialsScience,1989,24(5):1670-82.)对碳纤维/环氧树脂[±45°]复合材料层合板进行了拉伸试验，试验表明，该复合材料层合板的剪切方向展现出显著的非线性行为。另外，由于复合材料组分纤维和基体存在不同的力学属性导致其力学行为和破坏模式非常复杂，纤维断裂、基体开裂和分层损伤等破坏模式能够独立或同时发生。复合材料层合板内部微裂纹、纤维断裂和基体开裂等会随着外荷载的增加发生损伤初始并演化，由损伤演化导致的材料属性退化是其另一重要力学特性。因此，为了准确预测复合材料的失效强度，在建立描述复合材料力学行为的本构关系时应同时包含非线性和材料属性退化两个特性。近年来针对复合材料层合板提出的损伤本构模型未能合理考虑复合材料存在的非线性力学行为、面外应力的影响、合适的失效准则及损伤演化，基本集中在：只考虑材料的弹性行为，现有研究表明，如果模型未考虑非线性效应可能会低估复合材料结构的能量吸收能力；使用Hashin准则来判断层内损伤的起始萌生，Hashin准则虽然可以区分纤维与基体的不同损伤模式，但无法说明损伤产生的物理机制(李力,黄哲峰,杨增钦,etal.基于三维Puck失效准则及唯象模量退化的复合材料臂杆屈曲分析[J].复合材料学报,1-11.)，对于适当的横向压缩能抑制剪切破坏发生的现象无法给出较为合理的解释，所以现有一小部分技术提出使用Puck准则(PUCKA,SCHRMANNH.Chapter5.6-FailureanalysisofFRPlaminatesbymeansofphysicallybasedphenomenologicalmodels[M]//HINTONMJ,KADDOURAS,SODENPD.FailureCriteriainFibre-Reinforced-PolymerComposites.Oxford；Elsevier.2004:832-76.)来判断，使用该准则需要计算基体的失效断裂面角度，而现有的计算断裂面角度的方法是Puck遍历法(PUCKA,SCHRMANNH.Chapter5.6-FailureanalysisofFRPlaminatesbymeansofphysicallybasedphenomenologicalmodels[M]//HINTONMJ,KADDOURAS,SODENPD.FailureCriteriainFibre-Reinforced-PolymerComposites.Oxford；Elsevier.2004:832-76.)、黄金分割法(WIEGANDJ,PETRINICN,ELLIOTTB.Analgorithmfordeterminationofthefractureangleforthethree-dimensionalPuckmatrixfailurecriterionforUDcomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68(12):2511-7.)以及分区黄金分割法(SCHIRMAIERFJ,WEILANDJ,KRGERL,etal.AnewefficientandreliablealgorithmtodeterminethefractureangleforPuck’s3DmatrixfailurecriterionforUDcomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2014,100(19-25.)，这些算法存在计算效率低和计算结果不可靠等问题；损伤导致的材料属性退化使用突降式，这样会使材料提前发生破坏，计算结果偏保守。ABAQUS软件可以基于二维Hashin失效准则对弹性复合材料的失效强度进行预测，但无法直接运用较有优势的Puck失效准则，更无法直接对有非线性力学行为的复合材料进行失效强度的预测。针对现有模型存在的问题，需要开发一个同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种预测复合材料层合板失效强度的方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种预测复合材料层合板失效强度的方法，包含以下顺序的步骤：步骤一、建立复合材料层合板有限元模型；步骤二、建立复合材料损伤本构模型；步骤三、基于ABAQUS-VUMAT有限元用户动态子程序模块，使用FORTRAN语言编写用户自定义子程序实现提出的损伤本构模型，以求解应力、应变和损伤；步骤四、对有限元模型进行计算，预测复合材料层合板的失效强度。所述步骤一，具体如下：复合材料层合板的铺层角度沿厚度方向中平面对称布置，为减少计算量，有限元分析沿厚度方向采用对称边界条件只模拟1/2厚的复合材料层合板，每一层厚度方向只划分1个单元，复合材料层合板有限元模型包含8层C3D8R实体单元；由于孔边周围存在应力集中现象，且损伤也是由此开始延伸，因此需对孔边周围区域进行网格细化；建立参考点与自由端面之间加载方向位移一致性约束条件：受拉荷载均采用位移加载方式，左加载面施加固支约束，右端自由端面外设置一个参考点，然后把参考点和端面进行绑定,在Abaqus/CAE模块中，采用creatconstraint方法建立coupling耦合约束方程，此时，将位移荷载施加在参考点上，同时只要输出参考点上的位移和反力即U1和RF1，就能够获得加载端面上的位移与反力。所述步骤二具体为：步骤(1)：建立含损伤的复合材料层合板本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测复合材料层合板失效强度的方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：/n步骤一、建立复合材料层合板有限元模型；/n步骤二、建立复合材料损伤本构模型；/n步骤三、基于ABAQUS-VUMAT有限元用户动态子程序模块，使用FORTRAN语言编写用户自定义子程序实现提出的损伤本构模型，以求解应力、应变和损伤；/n步骤四、对有限元模型进行计算，预测复合材料层合板的失效强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种预测复合材料层合板失效强度的方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
步骤一、建立复合材料层合板有限元模型；
步骤二、建立复合材料损伤本构模型；
步骤三、基于ABAQUS-VUMAT有限元用户动态子程序模块，使用FORTRAN语言编写用户自定义子程序实现提出的损伤本构模型，以求解应力、应变和损伤；
步骤四、对有限元模型进行计算，预测复合材料层合板的失效强度。


2.根据权利要求1所述预测复合材料层合板失效强度的方法，其特征在于，所述步骤一，具体如下：
复合材料层合板的铺层角度沿厚度方向中平面对称布置，有限元分析沿厚度方向采用对称边界条件只模拟1/2厚的复合材料层合板，每一层厚度方向只划分1个单元，复合材料层合板有限元模型包含8层C3D8R实体单元；对孔边周围区域进行网格细化；建立参考点与自由端面之间加载方向位移一致性约束条件：受拉荷载均采用位移加载方式，左加载面施加固支约束，右端自由端面外设置一个参考点，然后把参考点和端面进行绑定,在Abaqus/CAE模块中，采用creatconstraint方法建立coupling耦合约束方程，此时，将位移荷载施加在参考点上，同时只要输出参考点上的位移和反力即U1和RF1，就能够获得加载端面上的位移与反力。


3.根据权利要求1所述预测复合材料层合板失效强度的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
步骤(1)：建立含损伤的复合材料层合板本构关系；
复合材料应力-应变本构方程：σ＝C(d):εe，
其中，符号“:”表示对两个张量指标的缩并计算；σ是有效应力张量；是名义应力张量；εe是弹性应变张量；e表示弹性；C(d)是含损伤单向复合材料层合板的四阶刚度张量；C是未损伤单向复合材料层合板的四阶线弹性刚度张量；d是一维向量(d1，d2，d3，d23，d13，d12)，其中d1、d2、d3分别为纤维方向纤维损伤的损伤变量、平面内垂直于纤维方向基体损伤的损伤变量、层间平面外方向分层损伤的损伤变量；d12、d23、d13分别为12、23、13平面内的剪切损伤变量；定义坐标系x1-x2-x3为单向板的自然坐标系，xl-xn-xt为断裂面的局部坐标系，两个坐标系下的xl轴重合；12、23、13平面分别对应坐标系下的x1x2平面、x2x3平面、x1x3平面；
把损伤变量引入刚度矩阵，使刚度随着损伤的发展而逐渐变弱，即：
C(d)＝M-1(d):C:MT,-1(d)；
其中，M-1(d)为M(d)的逆矩阵，MT,-1(d)为M(d)转置矩阵的逆矩阵；M(d)为损伤因子张量，其损伤主轴系下矩阵形式可以表示如下：






复合材料主坐标系中单层板的三维正交各项异性损伤本构模型如下：



所述复合材料主坐标系为单向板的自然坐标系x1-x2-x3；
其中：












其中，σ1、σ2和σ3分别为纤维方向、垂直于纤维方向、层间平面外方向的名义正应力；τ23、τ12和τ13分别为x1-x2-x3坐标系下x1x2平面、x2x3平面、x1x3平面内的剪应力；ε1、ε2和ε3分别为纤维方向、垂直于纤维方向、层间平面外方向的工程正应变；γ23、γ13和γ12为x1-x2-x3坐标系下x1x2平面、x2x3平面、x1x3平面内的工程剪应变；E1、E2、E3、分别为纤维方向、垂直于纤维方向、层间平面外方向的未损伤单向复合材料单层的弹性模量，G23、G13、G12分别为x1x2平面、x2x3平面、x1x3平面内未损伤单向复合材料单层的剪切模量，ν12、ν13、ν23分别为纤维方向与垂直于纤维方向的、纤维方向与层间平面外方向的、垂直于纤维方向与层间平面外方向的泊松比，ν21、ν31、ν32分别为垂直于纤维方向与纤维方向的、层间平面外方向与纤维方向的、层间平面外方向与垂直于纤维方向的泊松比，满足关系式，
步骤(2)：建立三维Puck失效准则来判断纤维和基体损伤，三维Hou准则来判断分层损伤，具体建立方式为：
(a)对于纤维拉伸和压缩，损伤初始判据为：






其中，为垂直纤维方向的名义应力张量，Sft、Sfc分别为单向板纵向拉伸强度、压缩强度；φft、φfc分别为纤维拉伸应力危险系数、纤维压缩应力危险系数；
(b)对于基体拉伸和压缩，损伤初始判据为：
坐标系x1-x2-x3为单向板的自然坐标系，xl-xn-xt为断裂面的局部坐标系，两个坐标系下的xl轴重合；θ为σ2到最危险断面的旋转角度，θ的取值区间为[-90°，90°]；σn(θ)和εn(θ)分别为潜在断裂面上的法向应力和法向应变；τnl(θ)和εnl(θ)分别潜在断裂面上平行于纤维方向剪应力和剪应变；τnt(θ)和εnt(θ)分别为潜在断裂面上垂直于纤维方向剪应力和剪应变；τnv(θ)为τnl(θ)与τnt(θ)的合力，ψ为τnv(θ)与τnt(θ)的夹角，则断裂面上的有效应力、应变分量计算如下：




分别为x2方向、x3方向的有效应力，分别为x1-x2-x3坐标系下x2x3平面、x3x1平面、x2x1平面内的有效剪应力；









当



当



式中：φmt和φmc分别为基体拉伸与压缩应力危险系数；和为单向板垂直于纤维方向的拉伸与压缩强度，t、c分别表示拉伸和压缩，⊥、分别表示垂直于纤维方向和平行于纤维方向；为单向板的面内剪切强度，为只有剪切应力作用下的失效应力，A表示断裂面；和为潜在断裂面上的法向应力对基体失效的促进参数，和为潜在断裂面上的法向应力对基体失效的抑制参数；对于碳纤维增强复合材料，将分别取值为0.27、0.35、0.27、0.3；
(c)分区二次插值法进行断裂角搜索
基体应力危险系数φmt和φmc是断裂面角度θ的一元函数，断裂面角度随应力状态的变化而变化，每一种应力状态下都有其最危险的潜在断裂面，通过一维搜索优化算法求得基体应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈静芬，杨凤祥，陈善富，刘志明，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44