一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法及装置与流程

本发明涉及复合材料接头力学性能预测，尤其涉及一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法及装置。

背景技术：

1、二维编织复合材料是以二维平面内相互交织的纤维束预制体为增强相，浸润树脂、陶瓷、金属等基体固化或致密化形成的纺织结构复合材料；纤维仅在面内交织，厚度方向无连续贯穿纱线，多层铺叠成型。

2、随着航天技术的不断进步，二维编织复合材料以其优异的比强度、比刚度及可设计性，逐渐替代金属材料成为火箭推进系统的重要结构材料。在液体火箭发动机机架结构中，二维复合材料接头作为连接各承力杆件的关键部件，其力学性能直接影响整机结构的安全性与可靠性。

3、现有技术在金属接头的力学性能评估主要依赖纯试验测试，存在周期长、成本高、难以覆盖全部工况等问题；而二维复合材料接头在复杂载荷作用下的损伤演化行为具有显著的各向异性和多尺度特性，单纯的有限元仿真缺乏足够的试验验证，无法准确预测二维编织复合材料接头的力学性能。

4、因此，亟需一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法及装置，用于解决现有技术无法准确预测二维编织复合材料接头的力学性能的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法，包括：

4、获取复合材料接头的基础参数以及待测载荷数据；

5、根据所述基础参数构建复合材料接头的损伤演化仿真模型；所述损伤演化仿真模型为引入渐进损伤模型的有限元模型；所述渐进损伤模型用于对所述复合材料接头的纤维与基体的损伤演化过程进行仿真；

6、根据所述待测载荷数据，采用所述损伤演化仿真模型对复合材料接头进行仿真预测，得到预测结果；所述预测结果包括复合材料接头的应力分布和损伤演化过程。

7、可选的，所述基础参数至少包括几何结构；所述根据所述基础参数构建复合材料接头的损伤演化仿真模型包括：

8、在有限元分析软件中，根据所述几何结构建立复合材料接头的三维模型；

9、采用c3d8r实体单元对所述三维模型进行离散，得到有限元模型；

10、在所述有限元模型中引入渐进损伤模型，得到损伤演化仿真模型。

11、可选的，所述根据所述待测载荷数据，采用所述损伤演化仿真模型对复合材料接头进行仿真预测，得到预测结果包括：

12、仿真分析过程中，采用hashin准则和损伤判定方程确定当前加载载荷下各单元是否达到损伤起始条件；所述损伤起始条件包括纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效以及压缩拉伸失效；

13、当所述单元达到损伤起始条件时，采用损伤演化方程计算损伤变量，并更新当前单元的损伤累积程度；

14、根据所述损伤变量，采用murakami-ohno连续损伤力学框架对单元的刚度矩阵进行折减，得到单元折减后的刚度矩阵；

15、根据各单元折减后的刚度矩阵确定复合材料接头的整体刚度矩阵，并根据所述整体刚度矩阵完成当前加载载荷的力学响应计算；循环迭代完成所述压缩载荷对应的力学响应计算，输出预测结果。

16、可选的，所述采用hashin准则和损伤判定方程确定当前加载载荷下各单元是否达到损伤起始条件包括：

17、采用公式：

18、；

19、确定单元是否达到纤维拉伸失效；

20、采用公式：

21、；

22、确定单元是否达到纤维压缩失效；

23、采用公式：

24、；

25、；

26、确定单元是否达到基体拉伸失效和基体压缩失效；

27、其中，为纤维拉伸失效指数，为纤维压缩失效指数，为基体失效指数，为基体拉伸失效指数，为基体压缩失效指数，、、为正应力分量，、为剪应力分量，为纤维方向拉伸强度，为纤维方向压缩强度，为基体横向拉伸强度，为基体横向压缩强度，为面内剪切强度，为面外剪切强度。

28、可选的，采用损伤演化方程计算损伤变量包括：

29、采用公式：

30、；

31、计算损伤变量；

32、其中，为失效模式i对应的损伤变量，为等效破坏应变，为等效初始损伤应变，为等效初始损伤应变。

33、可选的，计算损伤变量之后还包括：

34、采用正则化方法对损伤变量进行处理，得到粘性损伤变量；

35、根据所述粘性损伤变量，采用murakami-ohno连续损伤力学框架对单元的刚度矩阵进行折减，得到单元折减后的刚度矩阵。

36、可选的，所述采用murakami-ohno刚度折减模型对单元的刚度矩阵进行折减，得到单元折减后的刚度矩阵包括：

37、采用公式：

38、；

39、确定单元折减后的刚度矩阵；

40、其中，为单元折减后的刚度矩阵，、、 、 、、、为初始无损刚度矩阵的分量，为纤维方向损伤保留因子，为面内垂直纤维方向损伤保留因子，为厚度方向损伤保留因子，为纤维方向和厚度方向耦合损伤保留因子。

41、可选的，所述根据所述待测载荷数据，采用所述损伤演化仿真模型对复合材料接头进行仿真预测，得到复合材料接头的预测结果，之前还包括：

42、获取复合材料接头的试验数据；所述试验数据包括压缩载荷和力学响应数据；

43、根据所述压缩载荷，采用所述损伤演化仿真模型对复合材料接头进行仿真预测，得到仿真结果；

44、根据所述仿真结果和所述试验数据验证所述损伤演化模型的误差合理性。

45、可选的，获取复合材料接头的试验数据包括：

46、搭建试验系统；所述试验系统包括液压作动器加载装置、双目dic相机、单目dic相机、多个应变片，多个所述应变片贴在所述复合材料接头的关键位置处；

47、控制所述液压作动器加载装置按照压缩载荷对所述复合材料接头施加载荷，并根据所述应变片、所述双目dic相机以及所述单目dic相机采集的数据确定力学响应数据；

48、将所述压缩载荷和所述力学响应数据进行存储，得到试验数据。

49、与现有技术相比，本发明提供的一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法，包括获取复合材料接头的基础参数以及待测载荷数据；根据所述基础参数构建复合材料接头的损伤演化仿真模型；所述损伤演化仿真模型为引入渐进损伤模型的有限元模型；所述渐进损伤模型用于对所述复合材料接头的纤维与基体的损伤演化过程进行仿真；根据所述待测载荷数据，采用所述损伤演化仿真模型对复合材料接头进行仿真预测，得到预测结果；所述预测结果包括复合材料接头的应力分布和损伤演化过程。本技术解决了现有接头采用试验方法进行力学性能预测试验成本高且仿真模型缺乏的问题，本技术构建的复合材料接头的损伤演化仿真模型引入了渐进损伤模型，通过该模型进行复合材料接头的力学性能预测，解决了复合材料接头失效机理不清、损伤容限难以评估的问题。通过引入渐进损伤模型的有限元模型可以准确确定二维编织复合材料接头的损伤演化规律与最终破坏模式，实现了对设计载荷下结构安全裕度和极限承载能力的定量评估，为复合材料机架的轻量化与可靠性优化提供了理论依据。

50、第二方面，本发明还提供一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测装置，应用于所述一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法，装置包括：

51、数据获取模块，用于获取复合材料接头的基础参数以及待测载荷数据；

52、模型构建模块，用于根据所述基础参数构建复合材料接头的损伤演化仿真模型；所述损伤演化仿真模型为引入渐进损伤模型的有限元模型；所述渐进损伤模型用于对所述复合材料接头的纤维与基体的损伤演化过程进行仿真；

53、预测模块，用于根据所述待测载荷数据，采用所述损伤演化仿真模型对复合材料接头进行仿真预测，得到预测结果；所述预测结果包括复合材料接头的应力分布和损伤演化过程。

54、与现有技术相比，本发明提供的一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测装置的有益效果与上述技术方案所述一种火箭发动机复合材料接头力学性能预测方法的有益效果相同，此处不做赘述。