一种缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度评估方法

1.本发明涉及复合材料的强度评估方法，尤其涉及一种缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度评估方法。


背景技术：

2.纤维缠绕复合材料结构作为一种典型的复合材料结构形式，具有较高的比强度、比刚度，缠绕线型和缠绕角度可设计等优点，广泛应用于航空、航天、导弹武器、化工等重要战略领域。与金属材料结构不同，复合材料结构对机械冲击载荷的作用非常敏感，即使在冲击能量较低，结构外表面未出现可视损伤的情况下，在复合材料内部也会发生基体开裂、分层和纤维断裂等损伤，使得结构强度大大降低，对结构的安全使用形成了潜在的、巨大的威胁。在纤维缠绕复合材料结构实际使用过程中，遭受低能量冲击情况是不可避免的。因此，研究纤维缠绕复合材料结构受到低能量冲击后的剩余强度如何，能否继续承载，对于产品的可靠性和安全性都具有重要意义。
3.近年来，复合材料结构低速损伤及冲击后剩余强度问题引起学术界的广泛关注，成为复合材料结构损伤容限和结构完整性研究领域中的焦点课题。然而，现有复合材料低速冲击问题研究文献中的研究对象大多是航空工业中常用的层合、编织及夹层结构，对于纤维缠绕复合材料结构的研究较少涉及。作为在重要战略领域普遍采用的典型结构形式，纤维缠绕复合材料结构与其它形式复合材料结构在制造工艺、细观结构、损伤模式和破坏机理等方面均有完全不同的特点，因此亟需针对纤维缠绕结构的低速冲击损伤和剩余强度进行研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度评估方法，可满足现有的缠绕复合材料结构低速冲击损伤后剩余强度预测需求，将有限元仿真应用于缠绕复合材料结构的低速冲击损伤剩余强度计算，将低速冲击仿真计算得到的单元的损伤状态导入到有限元分析模型中，从而实现损伤信息的传递，随后调用vumat子程序计算缠绕复合材料结构的剩余强度。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度评估方法，包括如下步骤：
6.步骤一：缠绕复合材料结构低速冲击损伤仿真计算；首先建立缠绕复合材料结构有限元模型，对模型中的壳体及冲头施加相应的约束条件，并根据所要计算的冲击能量，赋予冲头初始速度；然后，采用abaqus/explicit求解器结合材料子程序vumat计算纤维缠绕复合材料壳体有限元模型中的应力、应变场及接触状态；其中的材料子程序根据复合材料渐进损伤模型建立；
7.含损伤复合材料的应力-应变关系：
[0008][0009]
式中，e0表示材料的初始弹性模量，m和λ是威布尔分布中的形状参数和尺度参数，f(m)是形状参数的修正函数，其中γ()为伽马函数。
[0010]
材料的损伤变量表示如下：
[0011][0012]
损伤变量表达式中复合材料威布尔分布参数可由材料性能测试数据拟合得到；
[0013]
步骤二、单元损伤状态的输出与导入；采用预定义场变量分析法实现复合材料结构低速冲击损伤与剩余强度仿真两者之间损伤信息的传递；在低速冲击损伤计算过程中，设置需要输出的场变量；计算完成后输出计算结果文件；其次，利用python语言编写提取损伤数据的后处理程序，建立特定的损伤信息数据文件；最后，在进行复合材料壳体冲击后剩余强度分析时，保持复合材料壳体有限元模型网格不变，将相应的场变量信息作为初始状态施加给缠绕复合材料结构模型，从而实现损伤信息的传递；
[0014]
步骤三、建立含初始损伤的缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度模型；建立与低速冲击损伤仿真计算结构相同的有限元模型，将低速冲击仿真计算得到的单元的损伤状态导入到模型中；并施加内压载荷，设置相应的边界条件；
[0015]
步骤四、剩余强度的计算；对步骤三所建立的缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度模型，采用abaqus/explicit显式有限元程序结合vumat子程序计算复合材料壳体各个部位的应力和应变情况，结合面内改进hashin准则和层间牵引-分离准则，判断复合材料壳体各个单元的损伤情况，如果发生损伤，则依据相应损伤模式进行相应的刚度退化，返回重新进行计算；最后，当复合材料壳体结构整体刚度与初始刚度比值趋于零并开始软化进入卸载状态时，认为复合材料壳体整体失效，此时得到的压强即为复合材料壳体爆破压强。
[0016]
作为优选，所述步骤一还包括:根据改进的三维hashin准则对有限元模型中的失效模式进行判断，依据相应的失效模式对材料性能进行退化；退化之后，重新计算有限元模型的应力应变场，若又有新的区域出现损伤，则对该区域进行材料性能退化，并再次进行应力应变分析，直至模型中没有新的损伤出现；最后，判断加载是否完成，如果没有则继续进行下一个载荷步的分析，如此循环直至整个计算过程结束。
[0017]
作为优选，所述步骤二中设置需要输出的场变量具体包括单元基体损伤、分层损伤和纤维断裂损伤系数的相关信息。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019]
1.本发明实现了缠绕复合材料结构冲击后剩余强度的一体化仿真分析，能为缠绕复合材料结构冲击后剩余强度影响的规律研究提供依据。
[0020]
2.本发明采用场变量分析技术将冲击损伤直接导入复合材料剩余强度分析模型，避免了因为冲击损伤简化带来的计算结果偏差，为复合材料冲击后剩余强度预测提供了一种简单有效的分析方法。
附图说明
[0021][0022]
图1是本发明实施例纤维缠绕复合材料结构有限元模型图；
[0023]
图2是本发明缠绕复合材料结构低速冲击后剩余强度分析流程；
[0024]
图3是本发明基于预定义场变量的损伤信息导入流程图；
[0025]
图4是本发明缠绕复合材料渐进损伤分析流程图。
具体实施方式
[0026]
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
首先需要说明的是，在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的后，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。
[0028]
步骤一：缠绕复合材料结构低速冲击损伤仿真计算。
[0029]
首先建立缠绕复合材料结构有限元模型，对模型中的壳体及冲头施加相应的约束条件，并根据所要计算的冲击能量，赋予冲头初始速度。然后，采用abaqus/explicit求解器结合材料子程序vumat计算纤维缠绕复合材料壳体有限元模型中的应力、应变场及接触状态。其中的材料子程序根据复合材料渐进损伤模型建立。
[0030]
其次，根据改进的三维hashin准则对有限元模型中的失效模式进行判断，依据相应的失效模式对材料性能进行退化；退化之后，重新计算有限元模型的应力应变场，若又有新的区域出现损伤，则对该区域进行材料性能退化，并再次进行应力应变分析，直至模型中没有新的损伤出现。最后，判断加载是否完成，如果没有则继续进行下一个载荷步的分析，如此循环直至整个计算过程结束。
[0031]
步骤二：单元损伤状态的输出与导入。采用预定义场变量分析法实现复合材料结构低速冲击损伤与剩余强度仿真两者之间损伤信息的传递。在低速冲击损伤计算过程中，首先，设置需要输出的场变量(包括单元基体损伤、分层损伤、纤维断裂等损伤系数的相关信息)，计算完成后输出计算结果文件(.odb文件)。其次，利用python语言编写提取损伤数据的后处理程序，建立特定的损伤信息数据文件。最后，在进行复合材料壳体冲击后剩余强度分析时，保持复合材料壳体有限元模型网格不变，将相应的场变量信息作为初始状态施加给缠绕复合材料结构模型，从而实现损伤信息的传递，如图3 所示。
[0032]
步骤三：建立含初始损伤的缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度模型。建立与低速冲击损伤仿真计算结构相同的有限元模型，将低速冲击仿真计算得到的单元的损伤状态导入到模型中；并施加内压载荷，设置相应的边界条件。
[0033]
步骤四、剩余强度的计算。对步骤三所建立的缠绕复合材料结构低速冲击损伤剩余强度模型，采用abaqus/explicit显式有限元程序结合vumat子程序计算复合材料壳体各个部位的应力和应变情况，结合面内改进hashin准则和层间牵引-分离准则，判断复合材料壳体各个单元的损伤情况，如果发生损伤，则依据相应损伤模式进行相应的刚度退化，返回
重新进行计算；最后，当复合材料壳体结构整体刚度与初始刚度比值趋于零并开始软化进入卸载状态时，认为复合材料壳体整体失效，此时得到的压强即为复合材料壳体爆破压强。
[0034]
以下用基于上述过程应用的具体实施例子来说明本发明的实现效果：
[0035]
在abaqus/cae中建立纤维缠绕复合材料结构的有限元模型，如图1所示。纤维缠绕复合材料结构的筒段采用螺旋缠绕加环向缠绕；封头段是与筒段螺旋缠绕同时完成的，纤维缠绕复合材料结构(含两端封头在内)总长260mm。筒段长度150mm，筒段半径为75mm，筒段平均厚度为2.2mm，筒段缠绕铺层角度为[90
°2/
±
28
°
]3。纤维缠绕复合材料结构筒段厚度方向的网格数量设置为20 个(12个实体单元，8个cohesive单元)，复合材料壳体面内网格数量通过网格收敛性测试确定。复合材料壳体有限元模型中包含c3d8r实体单元和coh3d8界面单元两种；冲头和金属接头均认为是刚体，单元类型为r3d4。
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低速冲击作用下纤维缠绕复合材料结构的渐进损伤仿真分析流程如图4 所示。
[0037]
根据图3设置需要输出的场变量，并将相应的场变量信息作为初始状态施加给复合材料壳体模型，从而实现损伤信息的传递，随后调用vumat子程序计算复合材料壳体剩余强度，如图1所示。
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为了验证本发明所述方法的正确性，制作与有限元模型相同的缠绕复合材料结构，并对其进行低速冲击实验，然后进行水压爆破实验。水压实验结果与本发明方法的计算结果对比如表1所示。由表1可以看出，本发明的预测得到的缠绕复合材料结构冲击后剩余强度与实验结果相差不大，满足工程精度要求，表明本发明方法可以用于预测缠绕复合料结构的冲击后剩余强度。
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表1缠绕复合材料结构冲击后剩余强度仿真结果与试验结果对比
[0040][0041]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。