复合材料层合板有限元分析及疲劳寿命预测

第39卷 第2期2009年3月

航空计算技术

AeronauticalComputingTechnique

Vo.l39No.2Mar.2009

复合材料层合板有限元分析及疲劳寿命预测

施兴灿,赵美英

(西北工业大学航空学院,陕西西安

710072)

摘 要:采用有限元方法对复合材料的疲劳进行模拟计算,建立有限元模型,进行疲劳寿命预测。把复合材料的疲劳失效过程模拟成为在外载荷作用下材料性能逐步退化、应力重分布、损伤累积的过程,并利用MSC.PATRAN/NASTRAN进行算列分析,并与试验结果相比较,误差较小,可以作为预测复合材料层合板寿命的方法。

关键词:复合材料层合板;疲劳寿命;有限元

中图分类号:O242.21 文献标识码:A 文章编号:1671 654X(2009)02 0049 03

引言

复合材料结构具有比强度、比刚度大,重量轻的优点,使其得到广泛运用,同时不同于金属材料的疲劳行

为,需要寻求不同于金属材料疲劳的描述复合材料疲劳行为的新方法。

文献[1]介绍了利用单向板在确定应力比下的三组典型单轴循环应力的实验结果来预测任意铺叠次序层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命。文献[2]用有限元方法发展了系列单元失效模型,利用ANSYS软件进行算例分析。文献[3]中介绍复合材料的三维和准三维模型。本文把材料疲劳过程看成是刚度不断退化,应力不断重分布,损伤不断累积,分层不断失效直至总体失效或断裂的过程。由此利用层合板在疲劳载荷作用下可测的刚度变化作为疲劳的表征值,对有限元软件PATRAN建立的复合材料层合板二维模型进行有限元模拟,计算单元受力和预测层板寿命。通过该方法论证刚度降作可作为表征疲劳程度的尺度,与疲劳实验数据相接近,因此可以认为该预测复合材料层合板的方法可以作为预测寿命的一种简单有效准确的方法,同时可以省去大量的疲劳试验。

1.1 层压板模型选择

复合材料层压板的模型包括二维模型,准三维模型和三维模型。在参考文献[3]中详细介绍了后两种建模的方法。本文采用MSC.PATRAN软件建立了不考虑层间应力的二维模型,并结合NASTRAN和MAT LAB估算该层压板模型的疲劳寿命。1.2 层压板的失效分析

层压板中所有单元均发生破坏时,各单元的疲劳寿命的总和即是该板的疲劳寿命。单元的破坏包括了两种情况:一种是静强度不够导致的静力破坏;另一种是损伤累积而导致的疲劳破环。我们分别运用静力失效分析和疲劳失效分析。

我们采用蔡-希尔(Tsai-Hill)失效准则来判断单元的采用何种失效分析方法。该准则表达式如公式1所示:

1

H=

X

2

图1 复合材料疲劳寿命预测方法流程图

1 疲劳寿命的研究方法

现阶段已经对于复合材料的还没有一种得到广泛承认的成熟的寿命估算方法,本文提出一种利用有限元分析方法的寿命估算方法,该方法包含简化为应力分析、失效分析和材料性能退化三大部分。其方法如流程图1所示。

收稿日期:2008 10 14

2+

Y

2

1 2-+X

12S

2

(1)

式中, 1, 2和 12分别为单元上三个面内主轴应力分量;X,Y和S分别代表单层的纵向、横向拉(压)强度

:(,

50 航空计算技术 第39卷第2期

值和剪切强度值,对应于拉伸应力,X,Y用拉伸强度,反之则用压缩强度。对于复合材料层压板,计算所有单元的H值,若有单元的H值大于等于1时,单元进行静力分析,层压板局部破坏,所有单元均小于1时,进行疲劳失效分析。1.3 层压板材料性能退化

材料单元失效并不意味着单元完全破环而没有承载能力,还具有承受或传递载荷能力,即弹性常数不全为零,而是发生退化。材料性能退化现在由于层板疲劳过程存在逐渐损伤和失效两种情况,因此材料性能退化模型分为材料渐降模和突降两种模型。

本文材料渐降模型应用基于损伤等效等理论应用于Shokrieh改进Adam幂律疲劳损伤模型后得到材料性能退化模型,如下所示:

E(n, ,k)=1-lgNf-lg0.

E0-+ff

1/!

[5]

2.1 算例:[0/90]4s层压板

算例为T300/8911复合材料材料[0/90]4s层压板,T300/QY8911复合材料的性能常数见表1。模型

尺寸取为2mm厚的40 40正方形。在载荷比q=0.85下的情况为例建立层压板二维模型(图2)。基于经典层压板理论,编写程序,计算得到层压板[0/90]4s极限强度预测值为784.46MPa,则施加载荷P=q Pu=0.85 784.46=666.791MPa,疲劳寿命计算结果列于表2。

表1 T300/QY8911材料基本机械性能材料弹性常数(GPa)

E11E22G12v12135.0

8.8

材料强度常数(MPa)

XtXcYtYcS

4.470.1627.5122668.421889.1

(2)

材料突降模型采用简单的完全退化准则,如下所述:

1)单元静力失效或纤维断裂,单元不承载,材料力

学性能退化,即:

E11=0;E22=0;#;G12=012=0

(3)

图2 层合板模型

2)单元基体失效,单元不受横向及剪切载荷,即:E22=0;#;G12=0(4)12=03)单元基纤剪切失效,单元不受剪切载荷,#;G12=012=0

(5)

1.4 损伤累积

层压板的破坏以单元的破坏为依据,如果层压板中所有单元都发生破坏,则认为层压板发生了破坏,层压板的寿命为所有单元的疲劳寿命之和;如果层压板中还有没有破坏的单元,则进行材料性能的退化,继续进行疲劳分析,直至所有单元都发生破坏。

1)单元 …… 此处隐藏：3102字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……