[发明专利]用于复合材料层内失效模式的测试数据简化的方法

说明书

本发明涉及用于复合材料层内失效模式的测试数据简化的方法。一种方法利用来自一系列FEM模型的结果形成合规性曲线的主导数。使用独特的主曲线解决了由单独拟合合规性曲线造成的测试数据波动问题。分析得到的合规性曲线的导数消除取合规性的导数的需要并且因此不再存在导数计算误差。通过将现有的解决方案和本文中所公开且要求保护的解决方案应用于相同组的原始测试数据，发现数据离散显著地降低。

技术领域

如本文所公开的本技术总体上涉及复合材料中的层内失效(intra-laminarfailure)，并且更具体地涉及在薄层水平复合材料失效模式测试中简化原始测试数据。

背景技术

基体层压复合材料(matrix laminated composite)由于它们高的刚度对重量比(stiffness-to-weight)和强度对重量比(strength-to-weight ratio)而日益增多地应用于结构。然而，它们可形成内部损坏，比如基体破裂和分层，这降低结构完整性而导致失效。内部损坏不易检测到。横向基体破裂和分层为复合材料的典型损坏机制，尤其是当结构经受弯曲负荷时。

在复合材料失效中存在两种不同失效机制。一种为所谓的层内失效，其中失效发生在层内。另一种为层间失效，其中层间失效在层之间。在层内失效与层间失效之间存在强的相互作用。例如，当裂纹继续跨越层片时，借助层片引发的基体裂纹将导致在相邻层片界面处的分层。层内断裂韧度和层间断裂韧度两者的测量是重要的。由于对于层间断裂韧度的成熟的ASTM测试标准和相关联的测试数据简化方法已经存在，所以以下讨论集中于层内断裂。

层内断裂表征涉及产生两种不同类型的断裂性质(即，纤维断裂性质和基体断裂性质)的测试。纤维断裂通常通过明显垂直于纤维方向进行以破坏纤维的裂纹来表征并且被认为是导致复合材料最终失效的直接原因。在另一方面，基体断裂通过明显平行于纤维通过层厚度进行的裂纹来表征并且引发复合材料失效过程。两种断裂性质是基础材料性质并且对于复合材料失效分析至关重要。

使用基于能量演化方法预测复合材料层压体面板中的层内失效的分析需要应变能量释放速率值输入的层水平。该应变能量释放速率值为从某些类型的材料测试中提取的材料强度/能量数据的一部分。大部分当今材料数据测试都根据国家/工业测试标准进行。然而，对于复合材料的这种类型的测试不存在测试标准。在该领域中进行的许多研究认同，初始为金属材料试样创建的紧凑拉伸测试可用于使用不同测试数据简化方法，对复合材料提取应变能量释放速率。然而这些数据简化方法既不可靠(显著离散结果)、不兼容也不适用。当前的合规性数据简化方法(compliance data reduction method)具有两个主要问题：1)它借助多个重复测试数据单独地拟合(fit)合规性曲线(compliance curve)并且继承测试数据波动问题(这增大所简化的结果的波动)；2)它拟合合规性曲线，但由公式计算的结果包括合规性的导数(derivative)。取合规性的导数引起显著的误差。需要更好的技术来解决数据离散问题。

发明内容

本文所公开的本技术的一个实施方式包括用于分析层内测试数据的方法，该方法包括：对于多个裂纹长度(crack length)和限定的负荷及位移使用有限元方法(finiteelement method)在计算机处对测试试样建模，所述计算机具有处理器和存储器并且其中测试试样的所述建模通过处理器执行并且基于存储在存储器中且代表具有已知结构特征的已知复合材料的已知构造的参数数据；以及通过对于多个裂纹长度中的每个计算测试试样的初始断裂能量，产生负荷对位移的建模的合规性曲线。方法可包括对于多个裂纹长度中的每个计算建模的合规性曲线的导数和形成拟合合规性的导数曲线的主曲线及采集裂纹长度测试数据以及绘制合规性对裂纹长度测试数据。方法包括使用拟合导数曲线的主曲线简化测试数据。