一種復合材料分層檢測方法
【專利摘要】一種復合材料分層檢測方法，包括：根據復合材料的分層結構有限元模型，獲取各個分層的分層面積S和振動響應應力；根據所述振動響應應力，基于復合材料分層失效準則函數計算各個分層的第一分層破壞系數FI；采用最小二乘法對各個分層的分層面積S和第一分層破壞系數FI進行擬合以得到分層破壞系數擬合函數；基于各個分層的分層面積和擬合函數計算各個分層的第二分層破壞系數FI’；基于各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI’，獲取復合材料分層失效準則函數中的指數系數，由此形成修正后的復合材料分層失效準則函數。本發明采用修正后的復合材料分層失效準則函數可在線檢測復合材料分層面積，大大節約成本,方便預估結構剩余的安全壽命。
【專利說明】
-種復合材料分層檢測方法
技術領域
[0001] 本發明設及航空飛行器復合材料結構W及通用復合材料機械結構領域，尤其設及 一種復合材料分層檢測方法。
【背景技術】
[0002] 實際復合材料結構很復雜，內部缺陷難W采用一般方法去檢測，特別復合材料特 有的分層失效更難采用一般方法去檢測。現復合材料分層失效準則較多，對于不同復合材 料結構，其準則公式不一定適用。現有技術中，復材分層檢測一般會存在如下缺點：
[0003] (1)取出結構需要在討3描或X射線下找到缺陷，獲取分層面積；
[0004] (2)復合材料分層失效準則的公式不好選取；
[0005] (3)復合材料分層失效準則函數的修正也不好定義。
[0006] 上述缺點存在的同時會帶來W下問題：
[0007] (1)在線檢測時，分層面積無法確定，從而無法確定損傷的嚴重程度，故無法預估 實際復合材料結構的殘余壽命，無法確保實際復合材料結構的安全工作時間；
[000引（2)不同的復合材料分層失效準則的公式適用不同的實際復合材料結構，無法選 擇最適用的復合材料分層失效準則的公式，就不能很好的檢測實際復合材料結構的分層失 效。
[0009] 現有失效準則包括:二維化shin的纖維拉伸失效準則、二維化shin的基體拉伸失 效準則、拉伸分層失效準則、壓縮分層失效準則、菜-吳或菜-希爾失效準則、霍夫曼失效準 則、Yamada-Sim失效準則、Puck失效準則、Puck modified失效準則、Puppo-Evensen失效準 貝1J;現通常通過試驗數據修正材料分層失效準則，修正一般采用線性材料修正因子或者不 采用材料修正因子，具體是通過修正失效楠球面的長軸或短軸來進行，而不能進行類楠球 面的處理。因此，亟需一種適用于工程應用過程，針對不同復合材料能進行最適用的分層失 效準則選取方法，該方法需要能夠高效快速地得到復合材料失效準則判據和復合材料分層 失效面積。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種復合材料分層檢測方法，根據已知數據代入通用復合材 料分層失效準則函數，反推出分層失效準則中的指數，形成修正后的復合材料分層失效準 則函數，再通過修正后的復合材料分層失效準則函數和傳感器測量得到的面外正應力值和 剪應力值判斷復合材料的分層面積及分層位置。
[0011] 根據本發明的一個方面，一種復合材料分層檢測方法，包括：
[0012] SI,根據復合材料的分層結構有限元模型，獲取各個分層的分層面積S和振動響應 應力；
[0013] S2,根據所述振動響應應力，基于復合材料分層失效準則函數計算各個分層的第 一分層破壞系數FI;
[0014] S3,采用最小二乘法對各個分層的分層面積S和第一分層破壞系數FI進行擬合W 得到分層破壞系數擬合函數；
[0015] S4,基于各個分層的分層面積和擬合函數計算各個分層的第二分層破壞系數FI'；
[0016] S5,基于各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI'，獲取復合材料分層失 效準則函數中的指數系數，由此形成修正后的復合材料分層失效準則函數。
[0017] 優選的，在所述Sl之前還包括:建立復合材料的分層結構有限元模型。
[0018] 優選的，一種復合材料分層檢測方法，還包括：
[0019] S10,建立復合材料的健康結構有限元模型；
[0020] S20,獲取健康結構的振動響應應力；
[0021] S30,將所述獲取的指數系數和健康結構的振動響應應力代入到修正后的復合材 料分層失效準則函數，^得到健康結構的分層破壞系數尸1<^;
[0022] 540，判斷健康結構的分層破壞系數。1*^是否小于1，如果是，則將修正后的復合材 料分層破壞準則函數作為復合材料的檢測函數，如果否，則返回到步驟S5。
[0023] 優選的，在所述S5之后還包括：
[0024] SlOO，實時獲取復合材料的應變數據；
[0025] S200,采用修正后的復合材料分層失效準則函數獲取復合材料的分層位置和分層 面積。
[0026] 優選的，所述振動響應應力包括面外正應力和剪應力。
[0027] 優選的，所述復合材料分層失效準則函數表達為：
[002引
(2)
[0029] 其中，化為復合材料層間正應力；T13和T23為復合材料層間剪應力;m，n和k為指數系 數;Yt為面外拉伸方向的極限強度，式(2)中Yt位置也可取面外壓縮方向的極限強度Yc;Si2和 S23分別為面外方向的剪切極限強度。
[0030] 優選的，所述計算第一分層破壞系數FI的步驟中，復合材料分層失效準則函數中 指數系數的初始值為2。
[0031] 優選的，所述獲得分層破壞系數擬合函數的步驟中，所述分層破壞系數擬合函數 表達為W分層面積S和第一分層破壞系數FI為變量的方程式f(S，FI)=0。
[0032] 優選的，所述計算第二分層破壞系數FI'的步驟中，把各個分層的分層面積S代入 到分層破壞系數擬合函數，得到該分層對應的第二分層破壞系數FI'。
[0033] 優選的，所述獲取復合材料分層失效準則函數中的指數系數的步驟包括：
[0034] 將各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI'代入到復合材料分層失效準 則函數；
[0035] 通過使用最小二乘法或者加權最小二乘法擬合計算獲取復合材料分層失效準則 函數中的指數系數。
[0036] 優選的，所述振動響應應力通過施加在復合材料上的人聲噪聲或機器噪聲激勵獲 得。
[0037] 綜上所述，本發明具有W下有益效果：
[0038] 本發明通過聲固禪合有限元計算仿真得到分層面積與分層破壞系數的關系，來對 復合材料分層失效準則函數進行修正，不需要額外的材料損耗，成本較低。本發明是通過噪 聲激勵來建立聲固禪合分析的邊界條件，所采用的振動源簡單，且能夠模擬機器適用時的 場景，更貼近復合材料的使用情況。本發明通過修正后的復合材料分層失效準則函數不僅 能夠判斷分層位置還能計算得到分層面積。本發明形成的修正后的復合材料分層失效準則 函數沒有采用一般的線性材料修正因子或者不采用材料修正因子的方法，也沒有改變已有 材料失效公式中的楠球面的長、短軸或者移動楠球面的中屯、位置來修正公式，而是通過修 正材料失效公式中的指數來改變失效面的形狀(階次）W及偏軸的情況。
【附圖說明】
[0039] 圖1是根據本發明復合材料分層檢測方法的方法流程圖；
[0040] 圖2是根據本發明修正后的復合材料分層失效準則函數再次修正的方法流程圖； [0041 ]圖3是根據本發明第=實施方式的方法流程圖；
[0042] 圖4是根據本發明第四實施方式的分層函數坐標曲線圖；
[0043] 圖5a是根據本發明第五實施方式的復合材料的分層結構有限元模型示意圖；
[0044] 圖5b是根據本發明第五實施方式的復合材料的分層結構有限元模型橫截面坐標 系不意圖；
[0045] 圖5c是根據本發明第五實施方式的復合材料的分層結構有限元模型的邊界條件 示意圖；
[0046] 圖6是根據本發明第六實施方式的修正后的復合材料分層失效準則函數曲面圖。
【具體實施方式】
[0047] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參 照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，運些描述只是示例性的，而并非要限制本發 明的范圍。此外，在W下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，W避免不必要地混淆本 發明的概念。
[0048] 本發明提供了一種復合材料分層檢測方法，圖1顯示了本發明復合材料分層檢測 方法的方法流程圖。
[0049] 如圖1所示，本發明所述的復合材料分層檢測方法包括下述步驟：
[0050] 步驟SI,根據復合材料的分層結構有限元模型，獲取各個分層的分層面積S和振動 響應應力；
[0051] 步驟S2,根據所述振動響應應力，基于復合材料分層失效準則函數計算各個分層 的第一分層破壞系數FI;
[0052] 步驟S3,采用最小二乘法對各個分層的分層面積S和第一分層破壞系數FI進行擬 合W得到分層破壞系數擬合函數；
[0053] 步驟S4,基于各個分層的分層面積S和擬合函數計算各個分層的第二分層破壞系 數 FI'；
[0054] 步驟S5,基于各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI'，獲取復合材料分 層失效準則函數中的指數系數(m，n和k)，由此形成修正后的復合材料分層失效準則函數。
[0055] 作為本發明一個優選的實施方式，在步驟Sl之前，建立復合材料的分層結構有限 元模型，如圖5a所示，該模型為方形空屯、截面梁，實體單元模擬復合材料的分層結構的各分 層單元al、曰2、bl、b2、b3，其中，al、曰2的面積為37.125平方毫米，bl、b2、b3的面積為55.6875 平方毫米，所述面積為所定義的復合材料的分層結構有限元模型坐標系（如圖5b所示）的 xoy面的面積，其中，該方形空屯、截面梁具有四個側面，每個側面建立一個坐標系x0、xl、x2、 x3,每個坐標系的Z軸均垂直于該坐標系所對應的側面，即每個坐標系的xoy面與該坐標系 所對應的側面平行。復合材料的分層結構的各分層單元31、32、61、62、63與附近單元的連接 采用重節點，各分層單元節點與相鄰單元(與該分層單元相鄰的單元)的節點之間用彈黃元 連接，單元厚度方向（即3方向）彈黃剛度取很小量，表示與其他單元幾乎沒有連接;如果是 健康復合材料結構的有限元模型，各分層單元(31、32、131、62、63)與相鄰單元(與該分層單 元相鄰的單元)之間連接共用一個節點。通過對分層單元定義后能直接獲取各分層單元al、 a2、bl、b2、b3相應的面積。其中，振動響應應力包括面外正應力和剪應力值。
[0056] 在本實施例中，步驟S2中，根據上述復合材料的分層結構有限元模型，獲取各個分 層的分層面積S和振動響應應力。
[0057] 在本實施例中，復合材料的分層結構有限元模型包括多個分層單元，優選的為3個 分層單元。具體的，在MSC.化化an軟件中建立復合材料的分層結構有限元模型，用實體單元 模擬復合材料的分層結構的各層，建立=維復合材料結構的屬性，參見下表1:
[0化引 親1二錐官會材魁並民肪屬化宏:獄 [0化9]
[0060]
[0061] 其中，復合材料分層失效準則函數需要用到的復合材料的分層結構的屬性包括 Yt、Si3和S23,復合材料的分層結構的屬性參數是由材料本身的特征決定的。本發明復合材料 為薄板型結構，設定薄板厚度方向為3方向（或者Z方向），1方向（或者X方向）與2方向（或者y 方向）垂直，1方向與2方向形成的平面與3方向垂直。
[0062] 在步驟S3中，分層面積S在建立復合材料的分層結構有限元模型時就可獲知。本實 施例中，所述振動響應應力包括面外正應力和剪應力值。其中，所述振動響應應力通過添加 在復合材料的分層結構有限元模型一端的人聲噪聲激勵或者機器噪聲激勵獲得。具體方法 如下：
[0063] 建立人聲作為噪聲激勵的聲固禪合分析的邊界條件和機器(飛機)作為噪聲激勵 的聲固禪合分析的邊界條件。如圖5c所示，在復合材料的分層結構有限元模型帶箭頭一端 加幅值為IN的正弦變化的力，并在力作用點定義0.化g的集中質量（圖5c中=角形所示），其 中集中質量為人聲的質量，在另一端加固支約束（如圖5c中黑色區域所示）。較佳的，機器 (飛機)作為噪聲激勵的聲固禪合分析的邊界條件與人聲作為噪聲激勵的聲固禪合分析的 邊界條件采用的方法相同。
[0064]在實施例中，優選的采用MSC.化Stran程序求解式（1)的聲固禪合方程，但不限于 此。如定義頻率從0.00IHz到1000.化的輸出范圍，針對每個單元在固定頻率間隔2Hz的頻率 (比如0.OOlHz,2.OOlHz ,4.OOlHz,6.OOlHz,……)輸出對應的多個方向的面外正應力值、多 個方向的剪應力值，得到對應的3方向面外正應力值〇3、13方向的剪應力值T13和23方向的剪
應力值T23。
[00 化] (1)
[0066] 其中，Kss是結構的剛度矩陣;KSF結構和流體禪合矩陣;BFS是流體和結構的禪合 矩陣;AFF是質量矩陣與剛度矩陣的禪合;US是結構的位移矢量;P聲學壓力矢量;FSS是施加 在結構上的激勵力。
[0067] 在步驟S3中，分層失效準則函數表達式為：
[006引
（2)
[0069] 其中，Yt、Si3和S23分別為1方向極限強度、13方向極限剪切強度和23方向極限剪切 強度，03為3方向復合材料面外正應力，T13為13方向復合材料剪應力，T23為23方向復合材料 剪應力。通過分層失效準則函數計算得到第一分層破壞系數FI。
[0070] 作為本發明優選的實施方式，=個待定指數設定初始值設置為2。
[0071] 例如，在步驟Sl中，Yt為51.6，Si3為102，S23為102，S個待定指數m、n、k的值均為2， 第一分層破壞系勤
再將多組分層單元3方向復合材料面外 正應力03、13方向復合材料剪應力T13核23方向復合材料剪應力T23代入，得到每個分層單元 的第一分層破壞系數FI和分層面積S。
[0072] 在步驟S3中，使用最小二乘法對多組第一分層破壞系數FI和分層面積S進行擬合 得到分層破壞系數擬合函數，具體的，所述分層破壞系數擬合函數表達為W分層面積S和分 層破壞系數FI為變量的方程式f (S，FI)=0。如圖4所示，形成的W分層面積S和分層破壞系 數FI為變量的方程式FI = 0.0093巧~2+0.5781*S-9.1801，具體的擬合函數有多種表現形 式，圖4中所示擬合函數不作為對本發明的限定。
[0073] 在步驟S4中，將各個分層面積S分別代入分層破壞系數擬合函數得到第二分層破 壞系數FI'。
[0074] 在步驟S5中，優選的，所述獲取復合材料分層失效準則函數中的指數系數的步驟 包括:將各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI'代入到復合材料分層失效準則 函數(2)，形成多個關于m、n、k的函數表達式： (3)
[0075]
[uu化」令±'(111，11，10=0，通巧便用最小二來巧擬曾計算萬程組中111、11、4的值，即獲取復合 材料分層失效準則函數中的指數系數。其中，每個分層單元對應有第二分層破壞系數FI'、 分層面積S、面外正應力值、剪應力值，再將復合材料的分層結構的屬性參數帶入式(2)，最 后通過最小二乘法計算得到=個待定指數(m、n、k)的值，由此形成修正后的復合材料分層 失效準則函數。例如，將=個待定指數(m、n、k)的值帶入式(2)，形成修正后的復合材料分層 失效準則函數。例如，m= 1.5557，n = 2,21778，k = 2.2778,帶入式（1)，形成修正后的復合材 料分層失效準則函數：
[nnvvl (2),
[0078] 該修正后的復合材料分層失效準則函數形成的曲面圖如圖6所示，該曲面類似于 楠球面。
[0079] 圖2顯示了本發明修正后的復合材料分層失效準則函數再次修正的方法流程圖。
[0080] 基于上述實施例，本發明復合材料分層失效準則函數再次修正的方法還包括：
[0081] 步驟Sio，建立復合材料的健康結構有限元模型；
[0082] 步驟S20,獲取健康結構的振動響應應力；
[0083] 步驟S30,將所述獲取的指數系數和健康結構的振動響應應力代入到復合材料分 層失效準則函數，^得到健康結構的分層破壞系數尸1<^;
[0084] 步驟540，判斷健康結構的分層破壞系數。1*^是否小于1，如果是，則將修正后的復 合材料分層失效準則函數作為復合材料的檢測函數，如果否，則返回到步驟S5。
[0085] 其中，建立復合材料的健康結構有限元模型不設置分層單元。健康結構的振動響 應應力采用如上述實施例的方法獲得。
[0086] 在步驟S40中，返回到步驟S5,通過加權最小二乘法計算復合材料分層失效準則函 數中的指數系數（m，n和k)，每個分層對應的函數表達式乘W權值A，如第一分層
第二分層 ，其中，各個權值M、A2、A3…… 之和為1，令各分層M(m，n，k) = 0,通過使用加權最小二乘法擬合計算方程組中m、n、k的值， 即獲取復合材料分層失效準則函數中的指數系數。其中，加權最小二乘法中的權值A的大小 根據該層函數表達式f(m，n，k)的趨近于0程度來進行確定，f(m，n，k)的越趨近于0,權值A取 得越大，f (m, n, k)的值與0相差較大，權值A取得越小。
[0087] 作為一個可選的技術方案，在步驟S40之后還包括:若分層對應的函數表達式f(m， n，k)代入第二分層破壞系數FI'、分層面積S、面外正應力值、剪應力值、和m、n、k的值之后計 算得到的誤差值在復合材料的預設的誤差限度內，則該m、n、k為最終的復合材料分層失效 準則函數中的指數系數;若誤差值不在復合材料的預設的誤差限度內，則需要返回到步驟 S5。例如，預設的誤差限度為0.05,則需要^111，11，1〇《0.05，否則需要返回到步驟55。
[0088] 圖3是根據本發明第=實施方式的方法流程圖。
[0089] 如圖3所示，基于上述實施方式，在步驟S5之后還包括：
[0090] SlOO，實時獲取復合材料的應變數據；
[0091] S200,采用修正后的復合材料分層失效準則函數獲取復合材料的分層位置和分層 面積。
[0092] 作為本發明優選的實施方式，所述應變數據通過預埋無線壓電傳感器在復合材料 層合板中采集獲得。壓電傳感器包括壓電薄膜，壓電薄膜為柔性的薄膜材料，厚度能夠做到 微米量級，可W大面積使用，粘貼到幾乎任意結構的表面或埋入復合材料層合板中。壓電傳 感器具有靈敏度高、性噪比高、結構簡單、工作可靠、質量輕、測量范圍廣等優點因此在壓力 沖擊和振動等動態參數測試中，是首選的傳感器類型。當然，對面外正應力值和剪應力值的 檢測還可W通過光纖進行測量。
[0093] 在本實施例中，應變數據包括復合材料的面外正應力值和剪應力值;將面外正應 力值、剪應力值和復合材料的屬性代入修正后的復合材料分層失效準則函數，計算得到分 層破壞系數。1<^;若分層破壞系數。1<^直大于1，則判斷該位置為分層位置;再將分層破壞系數 FI^M戈入所述分層函數，計算得到對應的分層面積。
[0094] 在本實施例中，通過修正后的復合材料分層失效準則函數能夠快速判斷分層位 置，并通過分層函數計算得到分層面積，現有復合材料分層失效準則函數能判斷分層位置 但不能計算出分層面積。
[00M]本發明旨在保護一種復合材料分層檢測方法，通過聲固禪合有限元計算仿真得到 分層面積與分層破壞系數的關系，來對復合材料分層失效準則函數進行修正，不需要額外 的材料損耗，成本較低，采用修正后的復合材料分層失效準則函數可在線檢測復合材料分 層面積，方便預估結構的剩余安全壽命。本發明是通過噪聲激勵來建立聲固禪合分析的邊 界條件，所采用的振動源簡單，且能夠模擬機器適用時的場景，更貼近復合材料的使用情 況。本發明通過修正后的復合材料分層失效準則函數不僅能夠判斷分層位置還能計算得到 分層面積。本發明形成的修正后的復合材料分層失效準則函數沒有采用一般的線性材料修 正因子或者不采用材料修正因子的方法，也沒有改變已有材料失效公式中的楠球面的長、 短軸或者移動楠球面的中屯、位置來修正公式，而是通過修正材料失效公式中的指數來改變 失效面的形狀(階次）W及偏軸的情況。
[0096]應當理解的是，本發明的上述【具體實施方式】僅僅用于示例性說明或解釋本發明的 原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下所做的任何 修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。此外，本發明所附權利要求旨 在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者運種范圍和邊界的等同形式內的全部變化和修 改例。
【主權項】
1. 一種復合材料分層檢測方法，其特征在于，包括： S1，根據復合材料的分層結構有限元模型，獲取各個分層的分層面積S和振動響應應 力； 52, 根據所述振動響應應力，基于復合材料分層失效準則函數計算各個分層的第一分 層破壞系數FI; 53, 采用最小二乘法對各個分層的分層面積S和第一分層破壞系數FI進行擬合以得到 分層破壞系數擬合函數； 54, 基于各個分層的分層面積S和擬合函數計算各個分層的第二分層破壞系數FI' ； 55, 基于各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI'，獲取復合材料分層失效準 則函數中的指數系數，由此形成修正后的復合材料分層失效準則函數。2. 根據權利要求1所述的方法，其中，在所述S1之前還包括:建立復合材料的分層結構 有限元模型。3. 根據權利要求1所述的方法，其中，還包括： S10，建立復合材料的健康結構有限元模型； S20，獲取健康結構的振動響應應力； S30,將所述獲取的指數系數和健康結構的振動響應應力代入到修正后的復合材料分 層失效準則函數，以得到健康結構的分層破壞系數FI*3; S40，判斷健康結構的分層破壞系數Ff是否小于1，如果是，則將修正后的復合材料分層 失效準則函數作為復合材料的檢測函數，如果否，則返回到步驟S5。4. 根據權利要求1或2或3所述的方法，其中，在所述S5之后還包括： S100，實時獲取復合材料的應變數據； S200,采用修正后的復合材料分層失效準則函數獲取復合材料的分層位置和分層面 積。5. 根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述振動響應應力包括面外正應力和 剪應力。6. 根據前述權利要求任一項所述的方法，所述復合材料分層失效準則函數表達為：(2) 其中，〇3為復合材料層間正應力；τ13和τ23為復合材料層間剪應力;m，η和k為指數系數； Υτ為面外拉伸方向的極限強度，式⑵中Υτ位置也可取面外壓縮方向的極限強度YC;S12和& 3 分別為面外方向的剪切極限強度。7. 根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述計算第一分層破壞系數FI的步驟 中，復合材料分層失效準則函數中指數系數的初始值為2。8. 根據前述權利要求任一項所述的方法，所述獲得分層破壞系數擬合函數的步驟中， 所述分層破壞系數擬合函數表達為以分層面積S和第一分層破壞系數FI為變量的方程式f (S,FI)=0〇9. 根據前述權利要求任一項所述的方法，所述計算第二分層破壞系數FI'的步驟中，把 各個分層的分層面積S代入到分層破壞系數擬合函數，得到該分層對應的第二分層破壞系 數 FI'。10. 根據前述權利要求任一項所述的方法，所述獲取復合材料分層失效準則函數中的 指數系數的步驟包括： 將各個分層的振動響應應力和第二分層破壞系數FI'代入到復合材料分層失效準則函 數； 通過使用最小二乘法或者加權最小二乘法擬合計算獲取復合材料分層失效準則函數 中的指數系數。11. 根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，所述振動響應應力通過施加在復合材 料上的人聲噪聲或機器噪聲激勵獲得。
【文檔編號】G01N29/44GK105954363SQ201610384316
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】邱菊, 胡震東, 肖志鵬, 劉傳軍
【申請人】中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心, 中國商用飛機有限責任公司