用於分析和製造具有預定載荷容量的結構構件的系統和電腦程式產品的製作方法
2023-11-05 08:13:42
專利名稱：用於分析和製造具有預定載荷容量的結構構件的系統和電腦程式產品的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於分析和/或製造具有預定載荷容量的結構構件的系 統和電腦程式產品，諸如通過確定複合構件的臨界載荷，例如，根據應
變能的劃分和 一 個或多個預定載荷的高斯點應變的臨界狀態(criticality)。
背景技術：
複合結構構件通常難以呈現材料特性，這使藉助於常規技術的失效分 析比較困難。例如，許多複合材料在破裂或者失效之前呈現很小的變形。 因此，難以基於複合構件破裂發展或開始失效之前的應力而產生的變形， 來準確預測複合構件的失效點。具體地，纖維增強複合材料的各向異性性 質、以及在同樣的結構成分使用多種材料而帶來的複雜性，通常需要基於 經驗技術的預測。這些途徑需要相同或大致類似的結構成分的大量測試， 以發展準確的預測。所以，在複合構件的設計和製造之後，通常對其進行 測試，以確定或證實臨界載荷容量。這種測試可能費錢費時，從而限制了
因此，對於分析和製造結構構件而言，存在對於改進的系統和計算機 程序產品的需求，以確定構件的載荷容量，而無需進行過多的破壞性測試。 這種系統和電腦程式產品應當能夠分析複合結構構件，並應當提供構件 的準確評估，使得可以將構件設計成至少經得起最小載荷，同時減少或最 小化重量和製造成本。
發明內容
一種系統和電腦程式產品分析複合構件的載荷容量。例如，該系統 可以用電腦程式產品實現，該電腦程式產品包括存儲了計算機可讀程 序代碼部分的計算機可讀存儲介質。根據一種實施方式，計算機可讀程序 代碼部分包括用於接收模型數據和材料數據的第一可執行部分。模型數據
是結構構件的配置和載荷條件的特徵，以及材料數據是結構構件材料的材
料特性的特徵。第二可執行部分分析模型數據並生成分析數據，該分析數 據包括關於結構構件的多個節點的應變張量。第三可執行部分生成增強分 析數據，其包括代表結構構件材料的臨界應變不變量值。第四可執行部分 分析該增強分析數據以生成結果數據，其代表導致損壞結構構件中的不穩
定性的載荷條件以及不穩定性的可能位置(likely location)和方向。
例如，對於具有基體相和纖維相的複合結構構件而言，第二、第三和 第四可執行部分可以配置成提供關於複合構件的複合材料的至少 一個基體 相臨界畸變(distortion^)應變不變量，提供關於複合構件的複合材料的至 少一個纖維相臨界畸變應變不變量，以及確定關於複合構件的複合材料的 至少一個基體相臨界膨脹(dilatational)應變不變量。各基體相應變不變量 值對應於由於在複合構件上的預定載荷所致的複合構件基體相的多個高斯 點之一的應變條件。可執行部分還可以確定關於複合構件的複合材料的多 個應變不變量值，各應變不變量值對應於由於在複合構件上的預定載荷所 致的複合構件的負荷材料的多個高斯點之一的應變條件。可執行部分可以 比較各基體及纖維相應變不變量值與對應的基體或纖維相臨界應變不變 量，以識別關於預定載荷的各高斯點的臨界狀態。因此，可讀程序的這些 部分可以確定關於預定載荷的總應變能的劃分(partition),根據高斯點的臨 界狀態，在保持能量和分散能量之間劃分總應變能。例如，將與各臨界高 斯點相關聯的應變能劃分作為分散能量，以及將與各非臨界高斯點相關聯 的應變能劃分作為保持能量。
此外，這些部分可以配置成對於不同的預定載荷(如逐漸增大的載 荷)重複這些操作，從而計算臨界載荷(損壞不穩定性開始)，其與被認為 是關於特定應用的不可接受的損壞、也就是可以保持的最大能量相對應。 例如，通過根據基於複合構件的薄板特性的隱損壞函數確定最大能量保持 (retention),可以計算臨界載荷。
根據本發明的一方面，還可以提供另外的可執行部分，用於執行結果
一個或更多方面的概率上可能的變化所導致的結果數據的變化。還可以提 供另外的可執行部分，用於根據計算出的載荷容量調整複合構件的屬性(如 尺寸)，使得可以自動執行構件的迭代分析。
當結合附圖和本發明的下列詳細描述考慮時，本發明的這些以及其他 的優點和特點、以及實現方式將更為明了，附示優選的和示例的實施 方式，而且附圖無需按比例繪製，其中
圖1是圖示根據本發明一種實施方式形成的複合結構構件的透視圖； 圖2是圖示根據本發明一種實施方式用於分析結構構件的載荷容量的 系統的方框圖3是圖示根據本發明一種實施方式用於分析結構構件的載荷容量的 操作的流程圖；以及
圖4和圖5是圖解示出用於分析複合結構構件的載荷容量的系統和操 作的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照示出本發明部分而非全部實施方式的附圖，對本發明進行 更充分的描述。本發明可以具體化為許多不同形式，而且不應當理解成局 限於這裡給出的實施方式，更確切地說，提供這些實施方式，使得本披露 完全徹底，並向本領域技術人員充分表達本發明的範圍。文中相同的標號 始終指示相同的構件。
現在參照附圖，具體參照圖1，其中示出了由根據本發明一種實施方式 的複合材料形成的結構構件10。具體地，構件10的複合材料包括纖維相和 基體相。纖維相由多個纖維增強構件12(圖1中用沿結構構件IO縱向延伸 的虛線圖示其中的三個)加以限定，而基體相則由其中布置纖維增強構件 12的基體材料14加以限定。例如，結構構件IO可以由多個細長帶(或者 "繩")形成，其中該細長帶被布置、壓實、硬化成期望的配置。增強構件 12可以布置成單纖維、股、編織物、機織織物或非織氈等，它們由諸如玻 璃絲、金屬、礦物、導電或非導電石墨或碳、尼龍、芳族聚醯胺(諸如Kevlar , E丄du Pont de Nemours and Company的註冊商標)等材料形成。其中布置有 增強構件12的基體相14可以包括不同材料，諸如熱塑性或熱固性聚合樹 脂。示例性的熱固性樹脂包括烯丙醇酯樹脂、醇酸聚酯樹脂、雙馬來醯亞 胺樹脂(BMI)、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯樹脂(PUR)、聚 脲曱醛樹脂、氰酸酯樹脂、以及乙烯基酯樹脂。示例性的熱塑性樹脂包括
液晶聚合物(LCP);氟塑料，包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)、 全氟烷氧基樹脂(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、以及聚四氟乙烯-全氟 曱基乙烯基醚(MFA);酮基樹脂，包括聚醚酮(PEEKTM，英國Lancashire 州Thorntons Cleveleys市Victrex PLC公司的商標)；聚醯胺，諸如尼龍-6/6, 30%玻璃纖維；聚醚碸(PES);聚醯胺醯亞胺(PAI),聚乙烯(PE);聚酯 熱塑性塑料，包括聚對苯二曱酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二酯 (PET)、以及聚乙烯(亞苯基對苯二酸酯)；聚碸樹脂(PSU);聚乙烯(亞 笨基硫化物)(PPS )。
結構構件10的特徵在於臨界載荷容量，即，如下臨界載荷構件10 的各部分能承受比該臨界載荷低的載荷，而不會帶來損壞不穩定性或失效。 臨界載荷取決於諸如形成構件的材料等的因素。例如，在如圖l所示的復
合結構構件的情況下，臨界載荷由纖維和基體材料的類型、纖維和基體相 的相對量、纖維相在基體相中的配置、複合構件的尺寸和配置、施加的載 荷的類型、構件所暴露的其他條件等等確定。根據在複合構件工作或使用 期間所期望的實際載荷，可以對複合結構構件進行設計和製造，以達到預 定臨界載荷容量。由此，根據本發明，可以按分析方式確定臨界載荷容量， 而不破壞構件。例如，在製造複合構件之前，可以確定構件的臨界載荷容 量，從而減少或者省略構件的後續破壞'性觀'j試。
根據構件要保持能量的容量，並通過使用應變不變量失效理論(這裡 稱為"SIFT，，)，可以確定臨界載荷容量。在Jonathan H. Gosse的"A Damage Functional Methodology for Assessing Post-Damage Initiation Environments in Composite Structure" ， AIAA - 2004-1788, 45th AIAA/ASME/ASC Structures, Stuctural Dynamics & Materials Conference, April 19-22, 2004, Palm Springs, California中對SIFT進行了進一步描述。如這裡所述，SIFT可以用於分析 複合材料和粘合組件中損壞的起始(initiation),並且可以應用於層狀堆疊順 序、結構幾何形狀、加載以及邊界條件等的不同配置。特別地，SIFT可以 用於分析由結構構件形狀的變化("畸變")和/或結構構件體積的變化("膨 脹")所引起或指示的損壞起始。由此，SIFT考慮結構構件的基體和纖維的 畸變及膨脹。
結構構件中的損壞起始，通常用與每個纖維和基體相相關聯的臨界應 變不變量也就是作為結構構件材料的特徵的臨界應變值來表示。例如，復
合結構構件可以通過鋪設、壓實以及硬化多個細長複合帶而形成，每個帶 具有布置在基體材料中的纖維，通常使纖維沿帶的方向縱向延伸。這樣的 複合結構構件的基體相內的損壞起始，通常用兩個臨界應變不變量J,tiea' 和S翻Miseserit^表示，它們是基體材料的特徵，而纖維相中的損壞通常用一 個臨界應變不變量Sf'b 。n Mises"it^表示，其為纖維增強材料的特徵。/ ， Miseser,實際上是基體相的sv。n Misese"tieal的高度局部化的值。此臨界不變量的 值是通過分析乘積形式的纖維為主的失效來進行推斷的，所以表示為ef'b 。n Miseseritieal。因此，通過比較基體相的應變不變量J,、 S顆M^與關於基體相的 各臨界應變不變量J,ti氣Sv。nMisesCTitieal,並比較纖維相的應變不變量Sflber
von
Mises與關於纖維相的各臨界應變不變量/lb 。n Mises"itieal，可以確定應變的臨 界狀態(也就是，應變是否將導致結構構件的永久性損壞):
formula see original document page 10
應變不變量定義為
formula see original document page 10
其中，^、 &和e3是主應變。
即，對於由結構構件限定的多個高斯點的每一個，估計應變不變量， 以確定如何劃分結構構件的總內應變能，即，確定結構構件的總內應變能 中多少被保持(例如，作為結構構件中的應變)、以及多少被分散(例如， 作為損壞)。要確定此估值的高斯點可以使用精確的程序或"診斷，，來選擇。
具體地，結構構件的總內應變能可以使用下列廣義等式進行劃分 化C咖TieED](屍,，6) (6)
formula see original document page 10(7)
formula see original document page 10
其中
i對應於主材才牛方向(4—23、 5—13、 6—12); ETi擴展為總能量的6個應變能分量； Ed是所有分散能量的集合；
的各分量相關聯的顯損壞函數；以及vM表示von Mises。
損壞函數可以是變形的當前狀態和損壞的當前狀態以及其他變量的函 數，所有這些都用《包含代表。由於它們的估值所涉及的許多變量以及它們 的各種相互作用，顯損壞函數\|/"*)在這一 時間點可以看成不確定的。
通過用隱損壞函數6^替換顯損壞函數Vi(^),可以對最大能量保持 (MER)的顯形式進行近似，從而得出以下
j^j,由'—wetieed](i=16) (9)
eVNaevMcritica'"^i『M ETi e ED] (i=1,6) (10) SllbervM^bervMeritiea'—[Wf'ber'EvMETie ED] (i=1,6) (l])
MER通常是數值積分的最大值，因而
formula see original document page 11
其中
5i對應於變形的總當前狀態，以及
E/是全部保持能量的集合(這裡co代表基體能量、纖維能量或總能量)。 隱損壞函數《ip0包括賦值函數&和內分層函數(intralaminar functional) 卩0。賦值函數為O或l,表示應變不變量的臨界值的實現，將導致總能量的 所有特定能量分量到布置能量集合或者所有特定能量分量到保持集合的劃 分。也就是，與具有臨界值的各高斯點相關聯的所有能量通常被劃分為分 散能量，而與具有非臨界值的各高斯點相關聯的所有能量則劃分為保持能 量。內分層函數是薄板特性的函數(例如，對於單向乘積形式，Eu、 E22、
formula see original document page 11M,se，tiea'和變形的當前狀態，其中E是線性彈性模量，G是扭轉彈性模量，
u是泊松比，a是熱脹係數。結果，^是複合乘積形式的有效內在材料特性
的函數(也就是，純乘積形式，諸如單向帶狀薄板)。薄板特性在隱損壞函
數公式中不使用。內分層損壞函數也是變形的當前狀態的函數，所以是變
量而不是常數。
一旦滿足方程(12),內分層損壞函數在方程(12)的變形狀態下工作， 以獲得與不可逆轉地變形的複合結構的峰值容量(或損壞不穩定的開始) 相對應的最終變形狀態。內分層損壞函數人，可以是有效薄板固有材料特性 和導出實體(諸如分散能量和從其分散能量的體積)二者的函數。所以，
內分層損壞函數九也是變量。
可以使用人工智慧方法和系統來實現SIFT,例如執行MER分析。具體 地，人工智慧裝置或模塊可以設置有問題陳述和支持信息，以適當定義所 要解決的問題，也就是，用於解析MER分析的方程、隱損壞函數、以及用 於其實現方式的規則和策略。
為了獲得給定變形的複合結構的極限載荷容量(關於損壞不穩定的載 荷環境)，對能量域(即，包圍對於損壞不穩定性評估的應變定位的域)內 的各高斯點的應變不變量進行估算，例如使用上述方程(l) _ (3)和(9)
- (11)。然後，通過隱損壞函數人，使根據方程(12)在MER點處的最終 變形配置(DFMER)起作用，以獲得複合結構的期望變形配置。與複合結構 的極限載荷容量(或損壞不穩定性)相對應的變形配置是
DFfinal = DF證X (13)
在以下參考文獻中對SIFT的理論和實現做了進一步描述，各文獻的全 部內容在此以引用的方式併入本文"Strain Invariant Failure Theory; Failure Theory and Methodologies for Implementation,"作者Jon Gosse, 可 以獲4尋該文的網址是http:〃www.compositn.net/Downloads/Presentation%20-0/o20Modelling%20-%20Boeing.pdf ; "Damage progression by the element-failure method ( EFM) and strain invariant failure theory ( SIFT )，"作 者T.E.Tay、 S.H,N.Tan、 V.B.C.Tan禾口 J.H.Gosse, Composites Science and Technology 65( 2005 )，935-944,December 2004; "Application of a First Invariant Strain Criterion For Matrix Failure in Composite Material, ，M乍者R.Li、 D.Kelly、 和R.Ness, Journal of Comosite Materials, November 2003,vol.37，no.22 /2003， pp.1977-2000;以及"Methodology for Comosite Durability Assessment,，，作者 Stephen W.Tsai和John L.Townsley， September 2003 SAMPE Technical Gonference， Dayton, Ohio。
下述系統和方法可以用於分析由包括非複合材料(諸如金屬)的各種 材料等形成的結構構件。然而，本發明特別適用於由複合材料形成的結構 構件(如圖1的複合結構構件10)的分析和製造，用常規的方法對其進行 分析可能比較困難。
圖2示意性圖示根據本發明一種實施方式用於分析結構構件的載荷容 量的系統20。系統20包括多個模塊或者組件，它們可以是分開的獨立裝置、 或者集成為一個或多個裝置。例如，系統20可以包括帶有處理器或控制器
22、存儲器24以及輸入/輸出埠的計算機，並且系統20可以配置成一個 或多個模塊工作。在有些情況下，各模塊可以是電腦程式產品的可執行 部分，也就是存儲在諸如存儲器24的計算機可讀介質上的計算機軟體程序 的計算機可讀程序代碼部分。各模塊可以與其他模塊分開或集成在一起， 並且，各模塊可以與其他模塊運行的裝置在分開或相同的計算機或其他裝 置上運行。
圖2中還圖示了系統20的各種模塊之間的典型數據通信，並在下面進 行描述；然而，應當理解，各模塊可以配置成與其他模塊中的一些或全部 進行通信，而且，模塊可以根據不同通信協議中的任何一種進行通信。傳 送進入系統20的、系統20中的、以及來自系統20的數據，可以作為文件、 時變信號等進行通信，並且，根據模塊的配置，可以作為內部或外部通信 在模塊之間進行通信。例如，在一種實施方式中，模塊通過以連續存儲並 及檢索文件中的數據進行通信，而文件可以存儲在存儲器、軟盤驅動器等 之中。具體地，各種模塊可以向與控制器22關聯的存儲器傳送數據或從中 接收數據。
如圖2所示，系統20包括輸入/輸出^^塊30,用於接收來自用戶的信 息以及給用戶提供信息。輸入/輸出模塊30可以包括用於接收用戶輸入的輸 入裝置，如鍵盤等，以及用於給用戶顯示信息的視頻監視器或其他裝置。 輸入/輸出裝置30可以是獨立受控的裝置，諸如個人計算機或計算機工作 站。可選擇地，如圖2所示，輸入/輸出裝置可以受控制器22控制，控制器 22可配置成與系統20的其他模塊進行通信和/或對其進行控制。
輸入/輸出模塊30配置成向模型生成器模塊32傳送數據。因此，模型 生成器模塊32可以配置成經由輸入/輸出模塊提供參數化的用戶界面，用戶 可以藉助於該輸入/輸出模塊來輸入模型數據以定義結構構件的模型配置。 模型生成器模塊32還可以配置成從用戶接收關於結構構件的所有材料特 性。然而，材料處理器模塊34通常被提供用於從資料庫模塊36中接收或 檢索至少一些數據，資料庫模塊36可以包括一個或多個資料庫38、 40,使 得用戶無需輸入數據。因此，材料處理器模塊34配置成接收或檢索關於結 構構件的數據，例如，通過接收來自模塊產生器模塊32的輸入模塊數據， 以及通過從資料庫模塊36的一個或多個資料庫38、 40中檢索對應的材料 特性數據。材料處理器模塊34可以向系統20的其餘部分提供數據用於分 析。具體地，可以給分析模塊42、微機械增強器分析程序包44、 SIFT分析 模塊46和/或概率模塊50提供數據。
圖3中圖示根據本發明一種實施方式用於分析結構構件的操作。如圖 所示，模型數據通常由用戶使用輸入/輸出模塊30輸入到系統20中。參見 方塊60。基於用戶輸入的模型數據，模型生成器32給材料處理器模塊34 提供設計基礎值，即，作為被建模的結構構件的特徵和對結構構件建模的 條件的數據。材料處理器模塊34從資料庫模塊36檢索與模型結構構件的 材料相對應(即，根據模型數據)的材料特性數據。參見方塊62。模型數 據和材料數據被作為分析數據提供給分析模塊42,分析模塊42通常執行有 限元分析，以生成代表結構構件的均質分析數據。參見方塊64。分析模塊 42還顯示作為結構構件的圖形表示的數據。參見方塊66。微機械增強器分 析包模塊44接收均質分析數據，並生成增強分析數據，其包括增強的一組 應變張量。增強應變張量是關於複合構件的失效條件的特徵。即，增強應 變張量代表在導致構件失效的最小條件下結構構件的微機械行為。參見方 塊68。 SIFT分析模塊46接收增強分析數據，並執行數據的SIFT分析，從 而生成結果數據，其代表在結構構件中導致損壞不穩定性的載荷條件、不 穩定性的可能位置、以及不穩定性的可能方向和/或行進路徑。參見方塊70。 結果數據可以由執行概率分析的概率模塊50進行進一步分析，以確定結果 數據中的可能變化，其可能由於結構構件的材料或複合方面的概率上的可 能變化、結構構件的幾何結構方面的變化等而發生。參見方塊74。由各分 析模塊產生的數據可以被存儲和/或報告，例如，通過將數據存儲成計算機 文件和/或在視頻監視器上向用戶顯示數據的圖形表示。參見方塊72。
圖4和圖5更詳細地示意性示出根據本發明一種實施方式的用於分析 由複合材料製成的結構構件的載荷容量的系統20的選擇部分的工作。如上 所述，模型生成器32接收模型數據，通常來自諸如鍵盤、滑鼠或其他裝置 的輸入/輸出模塊30,或者來自預先枸造的數據文件。參見方塊80。模型數 據可以包括構件的物理結構的信息特徵，諸如構件的幾何形狀；形成構件 的特定材料；材料的配置，諸如複合結構構件的基體材料中纖維的層的結 構、尺寸、數量以及布局；以及構件的層、層板或其他部分的結構、尺寸、 數量以及布局。另外，模型數據可以包括載荷數據，即結構構件的載荷條 件的信息特徵，諸如施加於結構構件的載荷或力的幅度、位置、方向和定
時(timing);結構構件所暴露於的熱條件的幅度、位置和定時，諸如存在於 構件一端或多端的熱邊界條件；結構構件所在環境中的溼度或其他條件的 幅度、位置、定時和類型；以及複合構件的其他特徵，其環境及其使用。
經由輸入/輸出模塊30，模型生成器可以提供參數化的用戶界面，例如 圖形用戶界面，用戶可以用其定義關於複合構件模型的各種預定義參數的 值，包括但不局限於關於形狀、幾何結構以及複合構件模型的複合方式的 參數，以及作為時間的函數的施加於複合構件模型的每個載荷、溫度、溼 度和其他條件。
基於用戶輸入，模型生成器模塊32向材料處理器模塊34提供設計基 礎值，包括複合構件的纖維和基體材料；構件的層板、纖維和/或其他組 分的數量及配置；以及代表複合構件的測試或使用條件的值，諸如使用的 時間或持續時間、溼度規範、溫度規範以及載荷規範。參見方塊82。
材料處理器模塊34接收來自模型生成器模塊32的輸入模型數據，並 從一個或兩個資料庫38、 40中檢索材料特性數據。參見方塊84。基本材料 資料庫38包含關於可形成複合構件的一種或多種材料的材料特性的信息。 參見方塊86。存儲在基礎材料資料庫38中的數據可以根據物理測試所得到 的測試數據生成。參見方塊94。對於各種類型的複合材料，測試數據可以 包括如下信息複合材料的纖維和樹脂的名稱；複合材料單位體積中的纖 維體積；複合材料處於基本無應變的溫度；關於單向複合材料的載荷與應 變之間的增量關係；代表具有不同纖維取向的單向試件的典型失效應變的 值。參見方塊92。
臨界值計算器模塊配置成接收機械單向測試數據，並使用該測試數據 生成複合材料的臨界應變不變量值。參見方塊90。具體地，通過進行單向 測試試樣的測試，並在失效位置處求解上述方程(1 ) - (3)，可以經驗地 確定臨界應變不變量值。
因此，除了任何測試數據之外，基本材料資料庫38可被提供有與各材 料的如下特性相對應的值纖維模量，即複合材料的纖維的彈性模量；基 體模量，即複合材料的基體材料的彈性模量；代表各纖維和基體材料的熱 脹係數；代表各纖維和基體材料的泊松比；複合材料的纖維和/或層板或層 的厚度或者其他幾何形狀；材料處於無應變時的複合材料的溫度；以及關 於材料的臨界應變不變量。參見方塊88。存儲在基本材料資料庫中的這些
或其他值，可以由臨界值計算器通過經驗地確定(如通過材料測試)的值 的人工或自動輸入、通過理論確定的值的人工或自動輸入或通過其他方法 來加以提供。
加速壽命材料資料庫40包含通常代表基本材料特性的變化的信息，
諸如由於包括時間消逝的壽命條件而可能出現的特性的變化；暴露的環境 條件諸如溼度、靜態溫度或循環溫度變化；以及物理載荷特性包括載荷的 幅度和頻率。參見方塊96。存儲在加速壽命材料資料庫40中的數據，可以 根據從物理測試(即加速壽命材料測試)得到的測試數據生成，如圖4所 示。參見方塊104。例如，測試數據可以包括材料名稱、以及代表在不同條 件下(諸如暴露於大氣條件、加載等之後)被測試的各種材料的材料特性 的相關值。參見方塊102。
為生成存儲在加速壽命材料資料庫40中數據所進行的材料測試的結 果，可以在疊合曲線(mastercurve)生成器模塊中進行處理。參見方塊100。 特別地，疊合曲線生成器模塊可以生成疊合曲線，其結合了修正因子以考 慮材料的各個壽命條件。例如，疊合曲線可以提供修正因子，用於修正各 不同材料的臨界應變不變量、泊松比、彈性模量以及熱脹係數，以對壽命 條件諸如老化(age)、對溫度的暴露、或者對載荷的暴露進行調整。參見方 塊98。疊合曲線生成器可以計算這樣的修正因子和疊合曲線，例如，通過 從壽命材料測試外推數據，使得疊合曲線生成器可以生成關於未經測試的 壽命條件的修正因子和曲線數據，諸如長期暴露於特定和/或極端溫度、溼 度或載荷條件。在有些情況下，這些和其他的曲線或數據可以另外提供並 存儲在加速壽命材料資料庫中，例如，由經驗地確定如通過材料測試確定 的值的人工或自動輸入、由理論確定的值的人工或自動輸入或由其他方法 來加以提供。加速壽命材料資料庫40和基本材料資料庫38在有些實施方 式中也可以由單個組合資料庫提供。
因此，模型生成器模塊32和材料處理器模塊34配置成提供代表複合 構件的特定配置和工作條件的數據，使得該數據可以用來執行建模操作。 由此，模型生成器模塊32和材料處理器模塊34配置成向分析模塊42傳送 分析數據。分析數據通常包括關於幾何形狀、載荷、位移、溫度等的信息。 參見方塊IIO。分析數據可以包括關於各使用條件的規範，並且各規範可以 表明在一段特定使用時期上一個或多個條件的變化，諸如載荷規範表明間
隙性載荷或者在時間上不均勻的載荷。分析數據可以由^^莫型生成器模塊32
和材料處理器模塊34之一或二者提供。例如，如圖4所示，模塊生成器模 塊32可以提供一部分分析數據，如與幾何形狀、位移和溫度有關的數據， 而材料處理器模塊34則可以提供其餘數據，如材料特性。參見模塊106、 108。可選擇地，數據也可以用其他方法提供，如由用戶人工輸入，或者來 自另一基於計算機的分析工具的自動輸入。在任何情況下，可以根據加速 壽命值(如由疊合曲線生成器生成的疊合曲線)對數據進行修改，以反映 由延長的時間消逝、暴露於特定環境條件等所導致的材料特性的變化。
分析數據被傳送或者以其他方式提供給分析模塊42,分析模塊42通常 執行分析數據的均質材料分析。例如，分析模塊42可以是用於執行有限元 分析的各種常規計算機軟體包的任何一種，諸如從ESRD, Inc.可以購得的 StressCheck、從Canonsburg， PA的ANSYS, Inc.可以購得的分析程序等。如 圖4所示，分析模塊42可以包括一種或多種分析工具，諸如"h元"有限元 建模軟體包、或"p元，，有限元建模軟體包，這些軟體包在業界都是已知的。 參見方塊112、 114。藉助於"均質材料分析"，意味著分析模塊將複合構件 建模為具有均質或均勻的層或部分，即使被建模的實際複合構件在各層或 部分內可能是不均勻的，例如，包括具有明顯不同的特性的纖維、基體材 料、三維編織等。參見方塊116。均質數據通常包括分析數據以及複合構件 的各層或層板的所有節點或高斯點的應變張量的完整集合(機械、熱二者 等)。
然後，分析模塊42將均質分析數據傳送至微機械增強器分析包模塊44。 另外，分析模塊42或者微機械增強器分析包模塊44還可以提供可視化能 力，例如，通過圖示複合構件施加的載荷或其他條件、由該載荷和條件在 複合構件中產生的應力和應變、失效點和模式等的圖形表示。可以在輸入/ 輸出模塊30的視頻監視器(如陰極射線管或液晶顯示器)上直接向用戶提 供圖形表示，使得用戶可以確認輸入的模型和條件的特徵和/或反覆修改模 型或條件。
微機械增強器分析包模塊44接收均質數據並生成增強分析數據。參見 方塊118。具體地，微機械增強器分析包模塊44生成應變張量的增強集合， 其反映在用戶定義的熱邊界條件下複合材料的纖維和基體的交互微機械行 為。參見方塊120。另外，微機械增強器分析包模塊44生成應變張量的增
強集合，其反映在纖維或基體開始失效所必需的機械條件下纖維和基體的 交互微機械行為。具體地，微機械增強器分析包模塊44確定失效所需的最
小條件和首先失效的位置。由微機械增強器分析包模塊44傳送的增強分析
數據，除被增強以反映纖維和基體材料的交互微機械行為的應變張量(機 械的、熱的等)之外，通常包括均質分析數據。也提供了用於確定為對應 於失效開始的條件的應變張量。
通過分析明確包含感興趣的基體和纖維材料的複合材料的代表體積， 確定增強因子，其用於從均質數據生成關於複合材料的增強分析數據。代 表體積通常包括所有在感興趣的複合構件中代表複合系統中所有材料所必 須的所有特性，例如，線彈性模量和扭轉彈性模量、熱脹係數、泊松比、 構成複合系統中的每種材料的體積分數、任何各向異性材料的方向性等。 然後，在感興趣的載荷條件(如施加的位移、載荷或二者)、以及溫度變化 下，可以對此代表體積進行分析，以確定在代表體積的不同材料元內在選 定位置處的應變放大率。然後，將在與六張量應變狀態以及溫度變化對應 的各載荷條件下代表體積的不同材料元中選定位置處的這些被放大的應變 進行正規化，並使用其作為用於分析的微機械增強因子。使用這些因子， 通過將均質應變乘以複合系統中各感興趣的位置(例如在複合纖維和基體 材料內部)的增強因子，將均質分析數據轉換成增強分析數據，以確定在 複合構件中各感興趣的位置處的增強應變值。
增強分析數據可以提供給SIFT分析模塊48,諸如最大能量保持(MER ) 分析模塊，其配置為分析增強數據以生成結果數據。參見方塊122。 SIFT 分析模塊48接收關於感興趣的結構內的多個高斯點的增強數據，並使用該 數據以求解如上所述的方程9- 12。該模塊48求出存在於纖維內各感興趣 的位置處的增強應變的完整集合，並比較所得出的應變不變量與臨界應變 不變量，以確定在複合構件內的特定位置上是否存在損壞。
如果想得到關於損壞行進而不是簡單的損壞存在的分析信息，有可能 以迭代或漸進的方式評定損壞行進。這需要用於表示特定位置中損壞的存 在、並在適當考慮損壞的存在的情況下重複分析的方法。有幾種可能的方 法用於執行這類迭代分析，T.E.Tay、 S.H.N.Tan、 V.B.C.Tan和J.H.Grosse 的"Damage progression by the element-failure method (EFM) and strain invariant failure theory (SIFT)"中概述了其中之一 ，上文已對其加以引用。在SIFT分析模塊48中執行的分析的結果被作為結果數據而從各個模 塊輸出。參見方塊124。結果數據可以輸出給用戶和/或分析模塊42,例如， 用於存儲為數據文件，或者用於利用分析模塊42的圖形顯示能力來生成結 果數據的圖形表示。
結果數據也可以提供給概率模塊50。參見方塊126。概率模塊50通常 識別由於製造、安裝和/或材料變化而在複合構件中產生的可能變化對結果 數據的影響。例如，概率模塊50可以存儲或者概率地確定複合構件的纖維 和基體相的材料的可能變化、纖維相材料的量或配置的變化、構件的整體 形狀或配置的變化等。於是，概率模塊50可以執行複合構件的分析，例如， 使用其他分析模塊42、 44、 46,假定不同的概率可能變化。因此，可以確 定並存儲增強分析數據、以及關於這些可能變化的每一種的結果數據。概 率模塊50可以使用增強分析數據來確定什麼載荷條件在統計學上最可能導 致失效起始，使用SIFT結果數據來確定什麼載荷條件在統計學上最可能導 致損壞不穩定性或傳播，以及當將可能變化結合到模型中時損壞不穩定性 或傳播的可能方向和/路徑。來自概率模塊50的輸出數據可以提供成分析文 件，也可以將其存儲或經由輸入/輸出模塊30報告給用戶。
在有些情況下，系統20可以配置成自動調整已建模的複合構件的屬性 並據此重新分析該構件。例如，在方塊124處計算了結果數據或者在方塊 126處從概率模塊50輸出之後，系統20可以自動調整模型數據，以反映對 複合構件的尺寸、複合構件的材料、構件的幾何結構等的調整。這種調整 通常由模型生成器32或者分析模塊42、 44、 46、 50之一執行，或者也可 以由控制器22的另 一部分或單獨的裝置執行。系統然後可以返回到方塊80, 以使用調整過的模型數據重新分析複合構件。因此，系統20可以配置成迭 代地分析並調整模型數據，直至提供達到預定準則(如對於給定的概率可 能變化的最小載荷容量、以及諸如重量或尺寸標準的模型數據的偏好)的 一組模型數據。
根據本發明的說明和相關附圖，本領域技術人員可以受到啟發而對本 發明加以改進。所以，應當理解本發明並不局限於所披露的特定實施方式， 其改進以及其他實施方式也包括在所附權利要求的範圍內。儘管在此採用 了特定術語，但只是在一般敘述意義上加以使用而非出於限制的目的。
權利要求
1.一種用於分析複合構件的載荷容量的系統，所述系統包括輸入/輸出模塊，用於從用戶接收模型數據；模型生成器模塊，配置成經由所述輸入/輸出模塊提供界面，以及從所述輸入/輸出模塊接收所述模型數據；資料庫模塊，包括關於多個複合材料的材料特性的至少一個資料庫；材料處理器模塊，配置成從所述模型生成器模塊接收所述模型數據，以及從所述資料庫模塊中檢索對應的材料特性數據；分析模塊，配置成根據來自所述材料處理器模塊的所述材料特性數據執行所述模型數據的有限元分析，以生成代表所述複合構件的均質分析數據，包括關於所述複合構件的高斯點的應變張量的集合；微機械增強器分析包模塊，配置成接收所述均質分析數據並生成增強分析數據，所述增強分析數據包括關於所述複合構件的失效條件的應變張量特徵的增強集合；以及SIFT分析模塊，配置成接收所述增強分析數據並使用分析的應變不變量失效理論，以生成代表所述複合構件中導致損壞不穩定性的載荷條件的結果數據。
2. 根據權利要求1所述的系統，還包括概率模塊，配置成確定所述結果數據中由於由以下構成的群組中的一 個或多個而使得在概率上可能發生的至少一個變化所述複合構件的材料 的變化和所述複合構件的幾何結構的變化。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中，所述SIFT分析模塊配置成生成 結果數據，所述結果數據包括由以下構成的群組中的至少一個所述不穩 定性行進的可能方向和路徑。
4. 根據權利要求1所述的系統，其中，所述材料處理器模塊被配置成 提供關於所述複合構件的所述複合材料的至少 一個纖維相臨界應變不變 量，以及，所述分析模塊、所述微機械增強器分析包模塊和所述SIFT分析 模塊被配置成對不同預定載荷重複下列步驟，從而計算與最大能量保持相 對應的臨界載荷確定關於所述複合構件的複合材料的多個基體相應變不變量值，每個 基體相應變不變量值對應於由於在所述複合構件上的預定載荷所致的所述複合構件的基體相的多個高斯點之一 的應變條件；確定關於所述複合構件的複合材料的多個纖維相應變不變量值，每個 纖維相應變不變量值對應於由於在所述複合構件上的所述預定載荷所致的 所述複合構件的纖維相的多個高斯點之 一 的應變條件；比較每個基體相應變不變量值與所述基體相臨界應變不變量，並比較 每個纖維相應變不變量值與所述纖維相臨界應變不變量，以識別關於所述預定載荷的每個高斯點的臨界狀態；以及確定關於所述預定載荷的總應變能的劃分，根據所述高斯點的所述臨 界狀態，將所述總應變能在保持能量和分散能量之間進行劃分。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中，所述SIFT分析模塊被配置成劃 分與每個臨界高斯點相關聯的應變能作為分散能量、以及與每個非臨界高 斯點相關聯的應變能作為保持能量，從而確定所述總應變能的劃分。
6. 根據權利要求4所述的系統，其中，所述SIFT分析模塊被配置成通過基於所述複合構件的薄板特性、根據隱損壞函數來確定最大能量保持， 以計算所述臨界載荷。
7. 根據權利要求4所述的系統，其中，所述SIFT分析模塊被配置成通 過根據所述結構構件的保持能量對於所述結構構件的總內應變能的比來確 定損壞函數，以計算所述臨界載荷。
8. 根據權利要求1所述的系統，其中，所述系統被配置成調整所述模 型數據，以根據所計算出的載荷容量調整所述複合構件的尺寸。
9. 根據權利要求1所述的系統，其中，所述資料庫模塊包括多個數據 庫，至少一個所述資料庫包括加速壽命材料信息，所述加速壽命材料信息 代表由於由以下構成的群組中的至少 一 個所導致的所述材料特性方面的變 化時間消逝、暴露於溼度、暴露於溫度、以及物理載荷。
10. —種用於分析複合構件的載荷容量的電腦程式產品，所述計算機 程序產品包括其中存儲有計算機可讀程序代碼部分的計算機可讀存儲介 質，所述計算機可讀程序代碼部分包括第一可執行部分，用於接收模型數據和材料數據，所述模型數據是所 述結構構件的配置和載荷條件的特徵，以及所述材料數據是所述結構構件 材料的材料特性的特徵； 第二可執行部分，用於分析所述模型數據並生成分析數據，所述分析數據包括關於所述結構構件的多個節點的應變張量；第三可執行部分，用於生成增強分析數據，所述增強分析數據包括代表所述結構構件的材料的臨界應變不變量值；以及第四可執行部分，用於分析所述增強分析數據以生成結果數據，所述 結果數據代表導致所述結構構件中損壞不穩定性的載荷條件和不穩定性的 可能位置。
11. 根據權利要求IO所述的電腦程式產品，還包括 第五可執行部分，用於執行所述結果數據的概率分析，以確定由於由以下構成的群組中的至少一個的可能變化所導致的所述結果數據的變化 所述結構構件的材料和所述結構構件的幾何結構。
12. 根據權利要求10所述的電腦程式產品，其中，所述第四可執行 部分被配置成生成包括由以下構成的群組中的至少一個的結果數據所述 不穩定性的所述可能方向和行進路徑。
13. 根據權利要求IO所述的電腦程式產品，其中，所述第二、第三 和第四可執行部分被配置成執行下列步驟提供關於所述複合構件的複合材料的至少 一個基體相臨界應變不變量；提供關於所述複合構件的複合材料的至少 一 個纖維相臨界應變不變量；確定關於所述複合構件的複合材料的多個基體相應變不變量值，每個 基體相應變不變量值對應於由於在所述複合構件上的預定載荷所致的所述 複合構件的基體相的多個高斯點之一 的應變條件；確定關於所述複合構件的複合材料的多個纖維相應變不變量值，每個 纖維相應變不變量值對應於由於在所述複合構件上的所述預定載荷所致的 所述複合構件的纖維相的多個高斯點之一 的應變條件；比較每個基體相應變不變量值與所述基體相臨界應變不變量，並比較 每個纖維相應變不變量值與所述纖維相臨界應變不變量，以識別關於所述預定載荷的每個高斯點的臨界狀態；確定關於所述預定載荷的總應變能的劃分，根據所述高斯點的所述臨 界狀態，將所述總應變能在保持能量和分散能量之間進行劃分；以及 對於增大的預定載荷重複所述確定步驟和所述比較步驟，並且計算與 最大能量保持相對應的臨界載荷。
14. 根據權利要求13所述的電腦程式產品，其中，所述確定劃分的 步驟包括劃分與每個臨界高斯點相關聯的應變能作為分散能量、以及與 每個非臨界高斯點相關聯的應變能作為保持能量。
15. 根據權利要求13所述的電腦程式產品，其中，所述計算臨界載 荷的步驟包括基於所述複合構件的薄板特性、根據隱損壞函數，確定最大 能量保持。
16. 根據權利要求13所述的電腦程式產品，其中，所述計算步驟包 括根據所述結構構件的保持能量對於所述結構構件的總內應變能的比確定 損壞函數。
17. 根據權利要求IO所述的電腦程式產品，還包括第五可執行部分， 用於根據所計算出的載荷容量調整所述複合構件的尺寸。
18. 根據權利要求IO所述的電腦程式產品，其中，所述第一可執行 部分被配置成接收加速壽命材料信息，所述加速壽命材料信息代表由於由 以下構成的群組中的至少 一個所導致的所述材料特性方面的變化時間消 逝、暴露於溼度、暴露於溫度、以及物理載荷。
全文摘要
提供了用於分析複合構件的載荷容量的系統和電腦程式產品。該系統包括用於接收模型數據和材料數據的裝置或模塊，模型數據是結構構件的配置和載荷條件的特徵，而材料數據是結構構件材料的材料特性的特徵。分析模型數據，以生成包括關於結構構件多個節點的應變張量的分析數據。生成增強分析數據，其包括代表結構構件材料的臨界應變不變量值。根據應變不變量失效理論對增強數據進一步進行分析，以生成結果數據，其代表在結構構件中導致損壞不穩定性的載荷條件、以及不穩定性的可能位置、方向和/或行進路徑。
文檔編號G06F17/50GK101351802SQ200680050263
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者喬納森·H·戈斯, 傑弗裡·A·沃爾希拉格 申請人:波音公司