一种分析复合材料层合板层间损伤的方法，通过推导组合界面单元的刚度方程，缩聚掉组合界面单元副结点的自由度，使组合界面单元在有限元模型中是一个整体，只有八个主结点。采用本发明专利技术的组合界面单元和有限元模型计算模拟结果较好，计算得到曲线在线性段与试验曲线基本重合，在峰值之后的下降段与试验曲线的趋势一致，层间损伤起始和损伤演化过程的模拟都符合实际。计算得到的载荷峰值62.8N，试验值63.1N，误差-0.4%。与现有技术方法相比，本发明专利技术具有计算规模小，计算效率高的特点，同时，由于组合界面单元具有厚度，因此前处理建模时相比零厚度的内聚力单元来说容易实现。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算力学领域，具体涉及一种用于计算模拟复合材料层合板层间损伤的方法。
技术介绍
复合材料层合板已在许多领域被广泛应用，尤其在航空结构中十分常见。层合板是由多层单层板粘合在一起组成整体的结构板，每个单层板称为一个子层。根据需要可将单层板的材料主方向按不同方向和不同顺序铺设，得到不同力学性能的层合板，因此层合板的力学性能具有可设计性。层间分层是层合板主要的损伤形式之一，层间强度相对面内强度较弱使得层合板容易产生层间损伤，尤其在冲击作用下更明显。层间损伤的出现使得结构稳定性和剩余强度大大降低，并可能导致灾难性的后果。如何准确预测和分析复合材料层合板的层间损伤，对合理设计使用复合材料结构十分重要。内聚力单元法(Cohesive Zone Model s, CZM)是目前分析层合板层间损伤十分有效的有限元方法。CZM法通过引入内聚力界面单元来模拟层合板的层间胶层，在层合板各层之间，或在结构可能发生分层的位置布置内聚力界面单元(Cohesive Element)，当内聚力界面单元在周围其他单元作用下的应力值达到界面强度时层间损伤起始；当内聚力界面单元进一步承受载荷，且能量释放率达到临界值时层间损伤扩展。CZM法易于有限元程序实现，不需要给出初始损伤位置就可以预测层间损伤的起始和扩展。然而，CZM法的缺点之一是为了获得合理准确的结果，需要有限元模型划分非常精细的网格才能使计算结果足够合理。目前，大多数研究者分析层合板层间性能时都使用实体单元和内聚力界面单元来建模子层面内用实体单元模拟，在上下相邻子层的实体单元之间插入零厚度或厚度很小的内聚力界面单元来模拟层合板的层间胶层。实体单元相比板壳单元本身计算量就大，当划分网格很细的时候使得计算规模很大，这就限制了 CZM法的工程应用前景。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的计算规模很大限制工程应用前景的不足，本专利技术提出了。本专利技术的具体过程是步骤1，建立有限元模型；步骤2，提取各组合界面单元的结点位移和坐标；提取的过程包括a.提取结点位移；从已建立好的有限元模型中，提取出各组合界面单元主结点的位移；该主结点位移用向量形式表示为Mu = ^Uu,--,Mm , ,Μ'μ , ^.γ, ^Mv )40χ1(夏)公式(I)中，uM是组合界面单元的主结点位移这,M+症分别表示第i个主结点对沿X，y，Z方向的平动位移(i = 1,2,3,4)分别表示第i个主结点对绕着X，y轴的转动位移，上标负号表示下主结点的位移分量，加号表示上主结点的位移分量，结点编号如图2所示；所述主结点对是指同一个组合界面单元中x，y坐标相同，z坐标不同的两个主结点；b.提取结点坐标；从已建立好的有限元模型中，提取出各组合界面单元主结点的坐标；该主结点坐标用向量形式表示为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分析复合材料层合板层间损伤的方法，其特征在于，具体步骤是：步骤1，建立有限元模型；步骤2，提取各组合界面单元的结点位移和坐标；提取的过程包括：a.提取结点位移；从已建立好的有限元模型中，提取出各组合界面单元主结点的位移；该主结点位移用向量形式表示为：uM=(uM1-,vM1-,wM1-,θMx1-,θMy1-...,uM4+,vM4+,wM4+,θMx4+,θMy4+)40×1T---(1)公式（1）中，uM是组合界面单元的主结点位移，分别表示第i个主结点对沿x，y，z方向的平动位移(i＝1，2，3，4)；分别表示第i个主结点对绕着x，y轴的转动位移，上标负号表示下主结点的位移分量，加号表示上主结点的位移分量，结点编号如图2所示；所述主结点对是指同一个组合界面单元中x，y坐标相同，z坐标不同的两个主结点；b.提取结点坐标；从已建立好的有限元模型中，提取出各组合界面单元主结点的坐标；该主结点坐标用向量形式表示为：xM=(xM1-,yM1-,zM1-,...,xM4+,yM4+,zM4+)24×1T---(2)式中，xM是组合界面单元的主结点坐标，分别是第i个主结点对的x，y，z坐标(i＝1，2，3，4)，上标负号表示下主结点坐标分量，加号表示上主结点坐标分量；所述组合界面单元的结点是指组合界面单元的主结点；所述的主结点是指组合界面单元与板壳单元相连的结点；步骤3，计算各组合界面单元的几何矩阵；该过程包括以下步骤：a.计算各组合界面单元副结点对的坐标；根据公式（2）中提取得到的各组合界面单元主结点的坐标，通过公式（3）：xS=12[I12×12|I12×12]xM---(3)得到组合界面单元副结点对的坐标列阵xS：xS=(xS1,yS1,zS1,...,xS4,yS4,zS4)12×1T---(4)公式（3）中，xS是组合界面单元的副结点对的坐标列阵，I12×12是单位对角矩阵；公式（4）中，分别是第i个副结点对的x，y，z坐标(i＝1，2，3，4)；所述副结点对是指组合界面单元内部包含的副结点中，位置互相重合的一对副结点；所述副结点是指刚性元与内聚力单元相连的结点；b.计算各组合界面单元的形状函数矩阵；通过公式（5）计算形状函数矩阵H(ξ,η)=N100N4000N10|...|0N4000N100N4---(5)公式（5）中，H(ξ，η)是形状函数矩阵；Ni是形状函数(i＝1，2，3，4)，具体为：N1=(1？ξ)(1？η)/4，N2=(1+ξ)(1？η)/4？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？（6）N3=(1+ξ)(1+η)/4，N4=(1？ξ)(1+η)/4公式（6）中，ξ和η是自然坐标系下的坐标，ξ，η∈[？1，1]；c.计算各组合界面单元的转换矩阵；通过公式（7）计算向量vξ和vη的x，y，z分量：vξi=Σk=14∂Nk∂ξ·xSik(i＝1，2，3)？？？？(7)vηi=Σk=14∂Nk∂η·xSik由得到的向量vξ和vη，通过公式（8）计算向量vs，vt，vnvn=(vξ×vη)|vξ×vη||？1vs=vξ||vξ||？1？？？？？？？？？？？？？（8）vt＝vn×vs由得到的向量vs，vt,vn，通过公式（9）计算转换矩阵Θ=(vs，vt,vn)？？？？（9）公式（9）中，Θ是转换矩阵；公式（7）中，是向量vξ的第i个分量，i=1，2，3分别对应x，y，z坐标；是向量vη的第i个分量，i=1，2，3分别对应x，y，z坐标；是第k个副结点对在i方向的坐标，通过公式（3）得到；d.计算各组合界面单元的几何矩阵；通过公式（10）计算几何矩阵B=ΘTH(ξ，η)Φ？？？？（10）公式（10）中，ΘT是转换矩阵Θ的转置矩阵；H(ξ，η)是公式（5）中的形状函数矩阵；Φ=(？I12×12|I12×12)，I12×12是单位对角矩阵；步骤4，计算各组合界面单元的弹性矩阵；该过程包括以下步骤：a.计算各组合界面单元的副结点位移；根据公式（1）提取得到的各组合界面单元主结点的位移，通过公式（11）uS=TδuM？？？？（11）得到各组合界面单元的副结点位移：uS=(uS1-,vS1-,wS1-,&thet...
【技术特征摘要】
1.一种分析复合材料层合板层间损伤的方法，其特征在于，具体步骤是 步骤I，建立有限元模型； 步骤2，提取各组合界面单元的结点位移和坐...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彪，李亚智，胡博海，樊振兴，苏杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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