一种热塑性复合材料层压结构的失效分析方法技术

本发明专利技术公开了一种热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，包括：步骤1，建立热塑性复合材料的面内弹性损伤模型，得到面内弹性损伤的应力应变水平；步骤2，建立热塑性复合材料的面内剪切弹塑性模型，得到面内剪切弹塑性的应力应变水平；步骤3，根据步骤1和步骤2得到的应力应变水平，确定出热塑性复合材料层压结构的面内初始损伤以及面内发生初始损伤后的刚性退化形式；步骤4，确定热塑性复合材料层压结构的层间初始损伤以及层间发生初始损伤后的刚性退化形式。本发明专利技术实施例提供的技术方案解决了现有复合材料损伤理论主要为针对热固性复合材料的研究，从而导致难以有效预测热塑性复合材料层压结构渐进失效情况的问题。合材料层压结构渐进失效情况的问题。合材料层压结构渐进失效情况的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性复合材料层压结构的失效分析方法


[0001]本申请涉及但不限于热塑性复合材料结构损伤容限设计
，尤指一种热塑性复合材料层压结构的失效分析方法。

技术介绍

[0002]与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有更高的抗冲击性能和断裂韧性。
[0003]现有的复合材料损伤理论研究主要集中于热固性复合材料。热固性复合材料在损伤失效过程中不会出现塑性变形，损伤失效准则也与塑性影响因素无关。目前，纤维增强热塑性复合材料的破坏机理尚不明确、本构关系和损伤模型也不完善。因此，现有针对热固性复合材料的复合材料损伤理论难以有效预测热塑性复合材料层压结构渐进失效的情况。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的：为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种热塑性复合材料层压结构失效分析方法，以解决由于现有复合材料损伤理论主要为针对热固性复合材料的研究，从而导致难以有效预测热塑性复合材料层压结构渐进失效情况的问题。
[0005]本专利技术的技术方案：本专利技术实施例提供一种热塑性复合材料层压结构失效分析方法，所述热塑性复合材料的平面应力包括弹性应力和剪切塑性应力；所述失效分析方法包括：
[0006]步骤1，建立热塑性复合材料的面内弹性损伤模型，得到面内弹性损伤的应力应变水平；
[0007]步骤2，建立热塑性复合材料的面内剪切弹塑性模型，得到面内剪切弹塑性的应力应变水平；
[0008]步骤3，根据步骤1和步骤2得到的应力应变水平，确定出热塑性复合材料层压结构的面内初始损伤以及面内发生初始损伤后的刚性退化形式；
[0009]步骤4，确定热塑性复合材料层压结构的层间初始损伤以及层间发生初始损伤后的刚性退化形式。
[0010]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤1包括：
[0011]在平面应力状态条件下，热塑性复合材料性能退化的弹性应力
‑
应变关系的模型为：
[0012][0013]其中，d1为纤维1向损伤变量，d2为纤维2向损伤变量，d
12
为剪切损伤变量；E1为层压
板1向的弹性模量，E2为层压板2向的弹性模量；ε1为1向应变，ε2为2向应变，ε
12el
为剪切应变；σ1为1向应力，σ2为2向应力，σ
12
为剪切应力；且所述1向损伤变量和2向损伤变量为：
[0014][0015]其中，d
+
为拉伸过程产生的损伤变量，d
‑
为压缩过程中产生的损伤变量。
[0016]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述热塑性复合材料的总应变等于弹性应变加上塑性应变；所述步骤2包括：
[0017]根据各向同性硬化定律的经典塑性模型，并基于仅在剪切应变中具有塑性应变的设定，得到热塑性复合材料的面内剪切弹塑性模型为：
[0018]R(ε
12pl
)＝C(ε
12pl
)
p
；
[0019]其中，R(ε
12pl
)为一个关于塑性累计应变ε
12pl
的各向同性硬化函数，C和p为通过试验的剪切应力
‑
应变曲线拟合获得。
[0020]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤3包括：
[0021]步骤31，根据步骤1和步骤2得到的应力应变水平，确定热塑性复合材料层压结构的面内初始损伤判据；
[0022]步骤32，根据所述面内初始损伤判据确定所述热塑性复合材料层压结构的面内发生初始损伤后，确定面内损伤刚度退化形式。
[0023]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤31中所确定出的初始损伤判据，包括：
[0024]从径向纤维拉伸失效、径向纤维压缩失效、纬向纤维拉伸失效、纬向纤维压缩失效，以及基体面内剪切失效的失效模式，分别确定每种失效模式下的初始损伤判据。
[0025]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤31中各失效模式下的初始损伤判据，包括：
[0026]失效判据1，径向纤维拉伸模式下用于失效判据的径向拉伸失效因子为：
[0027][0028]失效判据2，径向纤维压缩模式下用于失效判据的径向压缩失效因子为：
[0029][0030]失效判据3，纬向纤维拉伸模式下用于失效判据的纬向拉伸失效因子为：
[0031][0032]失效判据4，纬向纤维压缩模式下用于失效判据的纬向压缩失效因子为：
[0033][0034]失效判据5，基体面内剪切模式下用于失效判据的剪切失效因子为：
[0035][0036]其中，各失效因子等于1时，发生初始失效；
[0037]X
t
为纤维径向的拉伸强度，X
c
为纤维径向的压缩强度；Y
t
为纤维纬向的拉伸强度，Y
c
为纤维纬向的压缩强度；S
12
为面内的剪切强度。
[0038]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤32中所确定出的热塑性复合材料层压结构的面内刚度退化形式包括：
[0039]热塑性复合材料的面内拉伸刚度退化为基于材料的断裂韧性的线性退化形式；
[0040]热塑性复合材料的面内压缩刚度退化为基于材料的断裂韧性的线性退化形式；
[0041]热塑性复合材料的面内剪切失效刚度退化为基于试验数据拟合的衰减方式。
[0042]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述热塑性复合材料层压结构中，各层之间具有胶层，所述步骤4包括：
[0043]步骤41，确定热塑性复合材料层压结构的层间初始损伤判据；
[0044]步骤42，根据所述层间初始损伤判据确定所述热塑性复合材料层压结构的胶层发生初始损伤后，确定层间损伤刚度退化形式。
[0045]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤41中的层间初始损伤判据包括：
[0046]用于判定胶层是否开始出现胶层单元失效的损伤起始准则为：
[0047][0048]其中，t
n
为胶层有限元单元能够承受的法向应力，t
s
、t
t
为胶层有限元单元能够承受的剪切应力；t
n0
、t
s0
、t
t0
分别为各正交方向界面的强度。
[0049]可选地，如上所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法中，所述步骤42中的层间损伤刚度退化形式
[0050]判定胶层单元是否彻底失效破坏的损伤扩展准则为：
[0051][0052]其中，G
T
＝G
n
+G
s
+G
t...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，其特征在于，所述热塑性复合材料的平面应力包括弹性应力和剪切塑性应力；所述失效分析方法包括：步骤1，建立热塑性复合材料的面内弹性损伤模型，得到面内弹性损伤的应力应变水平；步骤2，建立热塑性复合材料的面内剪切弹塑性模型，得到面内剪切弹塑性的应力应变水平；步骤3，根据步骤1和步骤2得到的应力应变水平，确定出热塑性复合材料层压结构的面内初始损伤以及面内发生初始损伤后的刚性退化形式；步骤4，确定热塑性复合材料层压结构的层间初始损伤以及层间发生初始损伤后的刚性退化形式。2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，其特征在于，所述步骤1包括：在平面应力状态条件下，热塑性复合材料性能退化的弹性应力
‑
应变关系的模型为：其中，d1为纤维1向损伤变量，d2为纤维2向损伤变量，d
12
为剪切损伤变量；E1为层压板1向的弹性模量，E2为层压板2向的弹性模量；ε1为1向应变，ε2为2向应变，ε
12el
为剪切应变；σ1为1向应力，σ2为2向应力，σ
12
为剪切应力；且所述1向损伤变量和2向损伤变量为：其中，d
+
为拉伸过程产生的损伤变量，d
‑
为压缩过程中产生的损伤变量。3.根据权利要求2所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，其特征在于，所述热塑性复合材料的总应变等于弹性应变加上塑性应变；所述步骤2包括：根据各向同性硬化定律的经典塑性模型，并基于仅在剪切应变中具有塑性应变的设定，得到热塑性复合材料的面内剪切弹塑性模型为：R(ε
12pl
)＝C(ε
12pl
)
p
其中，R(ε
12pl
)为一个关于塑性累计应变ε
12pl
的各向同性硬化函数，C和p为通过试验的剪切应力
‑
应变曲线拟合获得。4.根据权利要求3所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31，根据步骤1和步骤2得到的应力应变水平，确定热塑性复合材料层压结构的面内初始损伤判据；步骤32，根据所述面内初始损伤判据确定所述热塑性复合材料层压结构的面内发生初始损伤后，确定面内损伤刚度退化形式。5.根据权利要求4所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，其特征在于，所述
步骤31中所确定出的初始损伤判据，包括：从径向纤维拉伸失效、径向纤维压缩失效、纬向纤维拉伸失效、纬向纤维压缩失效，以及基体面内剪切失效的失效模式，分别确定每种失效模式下的初始损伤判据。6.根据权利要求5所述的热塑性复合材料层压结构的失效分析方法，其特征在于，所述步骤31中各失效模式下的...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩刘，宋瑶，王金亮，张震，李世峰，门坤发，宫少波，苑春辉，朱洪艳，
申请(专利权)人：哈尔滨哈飞航空工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：