[发明专利]一种纤维增强复合材料动态拉伸失效评估方法

说明书

本发明提出了一种纤维增强复合材料动态拉伸失效评估方法，针对目前纤维增强复合材料失效评估方法中未考虑应变率效应、依赖于试验数据修正而缺乏理论依据的问题，基于能量密度理论，考虑了纤维增强复合材料在动荷载作用下的应变率效应，推导得到了材料在动态拉伸荷载作用下的应变率相关能畸变能密度方程，该方法能够准确地分析纤维增强复合材料在动荷载作用下的拉伸失效行为，避免了大量的动态试验测试，为各类纤维增强复合材料结构的设计提供一种可靠的评估方法。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料，具体涉及一种纤维增强复合材料动态拉伸失效评估方法。

背景技术

纤维增强复合材料作为一种新型材料，由于具有轻比重、高比强、抗腐蚀等优异性能而被越来越广泛地应用于航空航天、船舶海洋、汽车工业等领域。纤维增强复合材料的力学性能和物理性能较为复杂，在动荷载作用下具有应变率效应，极大地增加了结构中复合材料动态失效评估的难度。纤维增强复合材料的动态失效评估问题得不到解决，将导致结构的设计与研制、关键技术攻关存在很大盲目性，对结构安全性、可靠性产生致命性的影响，或由于过于保守引起结构效率的下降，难以完成预定的服役使命，因此动荷载作用下纤维增强复合材料的失效评估问题日益突出。

拉伸性能作为材料的基本力学性能，是研究复杂荷载作用下材料各种力学性能的基础。研究材料在拉伸荷载作用下的应力水平、变形情况，预测材料的拉伸失效行为，有助于改进材料的制备工艺，提高材料的服役性能。目前针对纤维增强复合材料的动态拉伸失效评估问题，常用的失效评估方法，如最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill准则、Tsai-Wu准则等，均未考虑复合材料的应变率效应，仅能预测其静态拉伸失效行为，无法较好地评估其在动态环境下的失效特征。对于复合材料动态失效的破坏过程、失效机理，目前的认识尚且不够深入，尚未建立起有效的表征手段和动态评估方法。现有技术通常是在静态失效准则的基础上，通过动态拉伸试验获取数据对静态失效评估方法进行修正，无法准确地评估复合材料结构的动态拉伸失效特性，严重制约了各类纤维增强复合材料结构的设计与研制。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种纤维增强复合材料动态拉伸失效评估方法，解决了目前纤维增强复合材料失效评估方法中未考虑应变率效应、依赖于试验数据修正而缺乏理论依据的问题。

技术方案：本发明提供了一种纤维增强复合材料动态拉伸失效评估方法，包括以下步骤：

(1)针对纤维增强复合材料的动力学特性，建立考虑材料应变率效应的动态本构方程：

式中，σ＝[σ₁，σ₂，σ₃]^T为应力张量，σ₁、σ₂、σ₃分别为3个主方向上的应力；ε＝[ε₁，ε₂，ε₃]^T为应变张量，ε₁、ε₂、ε₃分别为3个主方向上的应变；为应变率张量，分别为3个主方向上的应变率；K和Φ分别为材料的刚度系数和应变率硬化系数；

在单轴动态拉伸荷载作用下，拉伸方向上的主应力σ₁表示为：

式中，A₂为静态本构参数相关系数项，B₂为动态本构参数相关系数项，ε₁为拉伸方向上的主应变，为拉伸方向上的应变率；

计算单元体在单轴动态拉伸荷载作用下的应变能密度和体积改变能密度，进而基于畸变能密度理论，建立纤维增强复合材料应变率相关的能量密度理论动态拉伸失效评估方法：