[发明专利]一种改进B-K准则用于含纤维桥接影响复合材料多向层板分层预测的方法

说明书

本发明公开了一种改进B‑K准则用于含纤维桥接影响复合材料多向层板分层预测的方法，通过进行CFRP多向层合板I型、II型和不同混合比下I/II混合型静力分层试验，确定随分层长度变化的I型层间断裂韧度G_IC(a)、II型层间断裂韧度G_IIC(a)和不同混合比下的层间断裂韧度G_C(a)，并进行三维数据的最小二乘拟合获得考虑纤维桥接影响的改进B‑K准则中的参数η，然后将上述G_IC(a)、G_IIC(a)和拟合参数η值作为改进B‑K准则中的重要参数，建立基于内聚力单元的有限元模型并运用该改进准则模拟不同混合比下分层扩展行为，通过对比试验和数值结果验证所提改进准则的准确性和适用性，进而可运用改进准则预测任意其它混合比下的分层扩展行为，从而显著缩短试验周期，降低试验成本。

技术领域

本发明涉及CFRP多向层合板分层扩展领域，具体涉及一种改进B-K准则用于含纤维桥接影响复合材料多向层板分层预测的方法，适用于航空航天等领域广泛使用的复合材料多向铺层板I/II混合型分层扩展行为的研究与预测。

背景技术

复合材料因其良好的力学性能被逐渐应用于飞机主承力结构中。其中，碳纤维树脂基复合材料在具有较高比强度的同时，兼具比刚度高，抗腐蚀、疲劳性能好以及性能可设计性等诸多优点而成为近代飞机结构中主要使用的一种复合材料。随着中模量高强度碳纤维的批量生产和增韧树脂的应用，这类复合材料在飞机结构中的应用也由次承力结构逐渐发展到受力状况复杂的主承力结构。而复合材料的结构安全性也越来越被人们所重视。

在层压复合材料众多失效模式中，由低速冲击、层片脱落、凹口或制造缺陷引起的分层是最常见和关键的失效模式之一。分层损伤导致层板结构强度和刚度显著下降，甚至可能造成外部不易察觉的灾难性结构破坏，这严重制约了复合材料在飞机主结构中的应用。因此正确评价和预测复合材料在各种载荷和环境条件下分层扩展行为对工程实践中复合材料结构的设计和分析非常重要，同时也可显著缩短试验周期，降低试验成本。

内聚力模型(CZM)已广泛应用于模拟分层的萌生和扩展。内聚力模型将应变能释放率(SERR)和层间断裂韧度作为评估分层扩展的标准，预测I/II混合型分层扩展最广泛使用的准则是B-K准则。传统的B-K准则中，I型和II型层间断裂韧度被假设为与试样尺寸和分层长度无关的材料固有参数，这种假设对于单向层合板是正确的，但对于多向层合板却显示出不适用性。双线性CZM中的评判分层扩展的传统B-K准则，由于未考虑纤维桥接的影响，无法准确模拟多向层合板的分层扩展行为。

在复合材料多向铺层板中的分层扩展过程中，纤维桥接是一种非常重要的裂纹屏蔽机制。研究表明桥接纤维的数量实际上取决于分层长度，这意味着与短裂纹相比，长裂纹中将出现更多的桥接纤维，因此需要消耗更多的能量来使纤维拉出或造成桥接纤维的断裂失效。从多向铺层板分层扩展的断裂韧度变化曲线可以看出纤维桥接显著抑制了多向铺层板的分层扩展，因此需要考虑分层扩展中纤维桥接的影响。考虑纤维桥接影响的改进B-K准则，才能更好地预测多向铺层板混合型分层扩展行为。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种改进B-K准则用于含纤维桥接影响复合材料多向层板分层预测的方法，适用于工程应用，显著缩短试验时间，降低试验成本。同时对复合材料多向铺层板任意混合比下分层扩展行为进行有效的分析和预测，更好地保障结构安全性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种改进B-K准则用于含纤维桥接影响复合材料多向层板分层预测的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过双悬臂梁弯曲(DCB)、4点端边切口(4ENF)和混合型弯曲(MMB)试验开展CFRP多向层板的I型、II型和I/II混合型静力分层扩展试验，获得相应的载荷、位移和裂纹长度等试验数据；