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基于均勻化理論的復合材料安定性分析方法

秦方 張樂樂 黃松華 陳耕

秦方, 張樂樂, 黃松華, 陳耕. 基于均勻化理論的復合材料安定性分析方法[J]. 工程科學學報, 2019, 41(12): 1558-1566. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.06.001
引用本文: 秦方, 張樂樂, 黃松華, 陳耕. 基于均勻化理論的復合材料安定性分析方法[J]. 工程科學學報, 2019, 41(12): 1558-1566. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.06.001
QIN Fang, ZHANG Le-le, HUANG Song-hua, CHEN Geng. Shakedown analysis method for composites based on homogenization theory[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(12): 1558-1566. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.06.001
Citation: QIN Fang, ZHANG Le-le, HUANG Song-hua, CHEN Geng. Shakedown analysis method for composites based on homogenization theory[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(12): 1558-1566. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.06.001

基于均勻化理論的復合材料安定性分析方法

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.06.001
基金項目: 國家自然科學基金資助項目(51475036)
詳細信息
    通訊作者:

    E-mail:llzhang1@bjtu.edu.cn

  • 中圖分類號: O344.5

Shakedown analysis method for composites based on homogenization theory

More Information
  • 摘要: 周期性非均質復合材料具有微觀結構特征,需要均勻化理論進行宏觀和微觀的多尺度分析來研究其性能表現。針對其耐久強度性能,應用塑性極限安定下限定理,特別分析了其在長期交變載荷下的安定狀態。結合工程應用目標,提出一種全新的代表性單元邊界條件,結合圓錐二次優化算法進行數值計算,可以從材料微結構和組分性能出發,經過彈性應力場求解確定位移邊界載荷數值,最終由優化求解得到復合材料板材的面內塑性性能容許域。所求得的應力域以單向應力為基,可根據結構宏觀的單向應力狀態變化幅值直接進行安定狀態與否的判定。通過文中的多個算例,驗證了所編寫的軟件及計算流程的可行性及數值準確性,展示了該方法在工程模型中的應用場合和工程實踐意義。

     

  • 圖  1  RVE邊界條件示意圖

    Figure  1.  Boundary condition of RVE

    圖  2  微觀位移載荷域(a) 和對應宏觀應力域(b) 對應示意圖

    Figure  2.  Displacement load in micro-scale (a) and the corresponding stress domain in macro-scale (b)

    圖  3  fg函數為基的微觀位移載荷域

    Figure  3.  Micro-scale displacement load with function f, g as bases

    圖  4  圓孔方板算例. (a)模型; (b)安定計算結果

    Figure  4.  Plate with hole: (a) model; (b) shakedown results

    圖  5  層合板模型. (a)層合結構示意圖; (b)纖維角度定義

    Figure  5.  Lamination model: (a) laminated structure; (b) orientation angle of fiber

    圖  6  層合結構分析結果. (a)微觀容許位移場; (b)宏觀容許應力場

    Figure  6.  Analysis results: (a) micro-scale admissible displacement domain; (b) macro-scale admissible stress domain

    圖  7  多孔薄壁材料示意圖. (a)結構模型;(b)微觀模型;(c)RVE模型

    Figure  7.  Sketch maps of porous material: (a) structure model; (b) microscopic model; (c) RVE model

    圖  8  所計算多孔材料宏觀容許應力域結果對比

    Figure  8.  Comparison of macro-scale admissible stress domain of porous material

    表  1  由微觀位移載荷域推導宏觀應力域

    Table  1.   Derivation of macro-scale stress domain from micro-scale displacement boundary

    微觀位移載荷域宏觀應力域
    x方向y方向x方向y方向
    P10000
    P2αux0αk11ux/lαk21ux/l
    P3αuxαuy$\alpha \left( {{k_{11}}{u_x} + {k_{12}}{u_y}} \right)/l$$\alpha \left( {{k_{21}}{u_x} + {k_{22}}{u_y}} \right)/l$
    P40αuyαk12uy/lαk22uy/l
    下載: 導出CSV

    表  2  由宏觀應力域推導對應的微觀位移載荷域

    Table  2.   Derivation of micro-scale displacement boundary from macro-scale stress domain

    宏觀應力域微觀位移載荷域
    x方向y方向x方向y方向
    P10000
    P2Σ10s11Σ1ls21Σ1l
    P3Σ1Σ2s11Σ1l+s12Σ2ls21Σ1l+s22Σ2l
    P40Σ2s12Σ2ls22Σ2l
    下載: 導出CSV

    表  3  圓孔方板模型幾何和材料參數

    Table  3.   Geometry and material parameters of plate with hole

    長度,l/mm孔徑,D/mm厚度,h/mmD/l
    1002020.2
    材料彈性模量,E/MPa泊松比,υ屈服強度,σY/MPa
    鋼材2100.3280
    下載: 導出CSV

    表  4  模型所用面板單層材料力學參數

    Table  4.   Material properties of single layer

    Ex/GPaEy/GPaGxy/GPaμxyμyzTx/MPaTy/MPaSxy/MPa
    146.911.46.180.30.41370.666.5133.8
    下載: 導出CSV

    表  5  修改后層合板RVE邊界條件

    Table  5.   Modified boundary condition of lamination RVE mm

    單位載荷編號x-0-y平面x-0-z平面y-0-z平面平面x=10平面y=10
    1對稱約束對稱約束對稱約束ux=0.033uy=?0.01
    2對稱約束對稱約束對稱約束ux=?0.01uy=0.0208
    下載: 導出CSV

    表  6  多孔薄壁材料參數

    Table  6.   Material parameters of porous materials

    材料彈性模量,E/GPa泊松比,υ屈服強度,σY/MPa
    鋼材2000.3360
    鋁合金720.33100
    下載: 導出CSV

    表  7  修改后多孔材料RVE邊界條件

    Table  7.   Modified boundary condition of porous material RVE mm

    單位載荷編號x-0-y平面x-0-z平面y-0-z平面x=4平面y=3平面
    1對稱約束對稱約束對稱約束ux=0.01uy=?0.001998
    2對稱約束對稱約束對稱約束ux=?0.003732uy=0.01
    下載: 導出CSV
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    www.77susu.com
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  • 加載中
圖(8) / 表(7)
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  • 收稿日期:  2019-01-06
  • 刊出日期:  2019-12-01

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