一种夹芯结构板芯脱粘力学性能智能预测方法与流程

本发明涉及力学性能预测领域，具体涉及一种基于数据驱动的夹芯结构板芯脱粘力学性能预测方法。

背景技术：

1、夹芯结构是现代轻量化高端装备的核心承载结构形式，其典型构型由上下两层高强度纤维增强树脂基复合材料面板与中间轻质多孔芯材通过结构胶整体粘接固化而成。其中，面板主要承担面内拉伸、压缩与弯曲应力，轻质芯材主要承担横向剪切载荷与稳定支撑作用，整体结构具备比强度高、比刚度大、抗疲劳性能优异、减震降噪、隔热阻燃等传统金属结构无法比拟的综合优势。近年来，随着航空航天飞行器轻量化、大型风电叶片超长展弦比设计、轨道交通车辆节能减重、船舶上层结构防腐轻量化的发展需求持续升级，夹芯结构的应用覆盖率逐年提升，逐步替代传统铝合金、钢结构成为主承力构件首选材料体系。

2、在工程实际服役过程中，夹芯结构的力学薄弱位置并非面板与芯材本体，而是面板与芯材的胶接界面层。板芯胶接界面极易在多个维度因素耦合作用下产生脱粘分层缺陷：在制备成型阶段，胶液浸润不充分、固化温度压力不均、气泡夹杂、杂质污染等工艺缺陷会预埋初始微脱粘缺陷；在装配使用阶段，结构钻孔、铆接、打磨等二次加工会引发界面微裂纹扩展；在长期服役阶段，高低温循环交变、湿热老化腐蚀、紫外线辐照、雨水渗透、交变疲劳载荷、低速冲击、振动耦合等复杂工况会持续推动微脱粘缺陷扩展为宏观大面积脱粘。

3、脱粘缺陷一旦形成，将直接割裂面板与芯材之间的协同传力机制，彻底改变夹芯结构的受力传递路径。完整夹芯结构受力时遵循“面板承弯、芯材承剪”的经典力学规律，结构整体刚度均匀、应力分布连续；而脱粘缺陷出现后，脱粘区域面板失去芯材支撑，出现局部悬空受力状态，弯曲刚度大幅下降、局部应力集中显著、屈曲临界载荷急剧降低，极易出现局部塌陷、面板褶皱、结构屈曲失稳、整体断裂失效等恶性故障。对于航空飞行器、大型风电叶片等大型关键承载结构，局部板芯脱粘引发的结构渐进失效是装备非预期故障、运维成本增加、服役寿命缩短的核心诱因，严重时会引发飞行安全事故、风机坍塌事故，具备极高的工程风险。因此，精准刻画不同脱粘尺寸、板芯厚度、铺层角度、服役工况下夹芯结构的力学性能演化规律，快速获取结构极限承载力、屈曲稳定性、刚度退化率、疲劳寿命等关键力学参数，是实现结构损伤定级、剩余寿命评估、预防性运维、结构优化设计的核心技术基础。

4、目前，国内外学术界与工业界针对夹芯结构板芯脱粘力学性能评估与预测，已经形成全尺寸实体结构测试与精细化有限元数值计算两类主流成熟技术方案。其中力学试验为行业传统基准测试方案，根据实际工程结构参数，定制制备不同面板厚度、芯材厚度、铺层方式的复合材料夹芯标准试件，通过人工预埋聚四氟乙烯薄膜、脱模剂等方式，在板芯界面预制不同尺寸、不同位置、不同形状的脱粘缺陷，将含缺陷试件安装至万能材料试验机等专业设备，依次开展静态拉伸、压缩、弯曲、剪切等破坏性力学试验，通过传感器采集载荷-位移曲线、应力应变数据、结构失效形式等试验结果，最终统计得到结构极限承载载荷、弯曲刚度、剪切强度等力学性能参数。该方案的核心优势在于测试数据真实可靠、精度高，可作为其他预测方法的真值标定依据。但该方案试件制备工艺复杂、原材料成本高、大批量工况试验的经济成本极高；试验工况可控性差，无法精准遍历脱粘尺寸梯度、脱粘位置差异、载荷幅值变化的全参数组合工况，仅能实现少量离散工况测试，数据样本覆盖维度极低；试验周期冗长，单批次试件成型、养护、试验、数据处理周期完全无法满足工程现场快速评估、批量筛查的刚需。

5、为弥补实体试验成本高、工况覆盖不全的缺陷，行业普遍采用有限元数值仿真技术开展板芯脱粘力学性能预测，依托计算机数值模拟手段，构建与实际结构一致的夹芯结构精细化几何模型，通过定义复合材料面板铺层属性、芯材本构参数、胶接界面力学参数，采用cohesive内聚单元、界面接触单元模拟胶接界面的粘接特性与损伤演化规律，完成模型网格剖分、载荷边界条件施加、求解步长设置后，通过迭代求解器开展非线性力学计算，仿真得到结构应力分布、变形规律、屈曲临界载荷、极限失效载荷等力学结果。该方案实现了非破坏性、全工况参数化建模分析，可部分替代实体试验，有效拓展工况覆盖范围，但该方案存在显著的技术瓶颈：建模门槛高、流程繁琐，需要专业工程师完成几何建模、网格收敛性验证、界面参数标定、边界条件优化，人力成本与时间成本极高；仿真计算效率较低，多参数批量仿真耗时较长，无法实现快速预测。

6、因此，开发一种便捷、高效、低成本的能够精准预测不同脱粘尺寸、板芯厚度、载荷工况的夹芯结构力学性能智能预测方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种夹芯结构板芯脱粘力学性能智能预测方法。针对现有夹芯结构板芯脱粘力学性能预测依赖大量有限元仿真计算，试验测试成本高、周期长，难以适配航空航天构件快速评估需求的技术痛点，能够克服传统夹芯结构板芯脱粘性能测试与仿真成本高、效率低的缺陷。

2、技术方案：一种夹芯结构板芯脱粘力学性能智能预测方法，包括：

3、步骤1：通过有限元参数化建模，构建夹芯结构仿真模型库；

4、步骤2：根据所述夹芯结构仿真模型库，构建板芯脱粘力学性能数据库；

5、步骤3：根据板芯脱粘力学性能数据库，利用深度学习模型，进行板芯脱粘力学性能的智能预测。

6、综上所述，本发明公开了一种夹芯结构板芯脱粘力学性能智能预测方法，首先依托python脚本完成复合材料夹芯板参数化有限元批量建模，将面板铺层参数、芯材几何尺寸、预置脱粘缺陷尺寸、外载荷参数设置为可变参数，批量生成夹芯结构有限元模型库；其次基于内聚力cohesive单元和hashin准则构建夹芯结构板芯脱粘失效仿真数据库，通过abaqus开展含预置脱粘缺陷夹芯板准静态拉伸/弯曲仿真，捕捉损伤结构模量、强度与极限承载位移等关键数据；最后依托python搭建改进深度学习模型，以结构几何、铺层与缺陷特征作为模型输入，以损伤结构模量、强度与屈曲载荷作为模型输出，利用仿真数据集完成模型训练，实现数据驱动下夹芯结构板芯脱粘力学性能快速预测。本发明规避重复有限元建模与计算带来的高算力消耗，无需反复开展物理试验，可精准快速预判不同缺陷工况下夹芯结构板芯脱粘失效关键指标，优化夹芯结构前期结构设计与缺陷容限校核，适用于航空、船舶、轨道交通领域夹芯复合材料工程设计。

1.一种夹芯结构板芯脱粘力学性能智能预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，完好粘接区域采用cohesive内聚力单元模拟板芯界面粘接特性，所述预置脱粘区域采用节点分离的分层设置。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，夹芯结构有限元模型的复合材料上下面板采用s4r壳单元离散，轻质芯材采用c3d8r实体单元离散，完好粘接区域的板芯界面采用零厚度的coh3d8内聚力单元。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，夹芯结构有限元模型的仿真加载方式为准静态三点弯曲，对夹芯结构长度方向两端的所有节点施加固支约束，跨中施加位移载荷。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤31中，输入层的输入参数为python脚本输入变量；多隐含层的神经元数量采用试凑法结合遗传算法寻优确定，激活函数选用sigmoid函数，采用带梯度下降算法优化深度学习模型收敛速度；输出层的输出参数为板芯脱粘力学性能。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤32其中，所述数据集包括训练集与测试集；数据集的划分规则为：板芯脱粘力学性能数据库中85%的数据作为训练集，剩余15%的数据作为测试集，以测试集平均相对误差小于2.5%作为模型训练收敛合格判定标准。