[发明专利]一种层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法

说明书

本发明将一种能反映无纺布层间增韧的物理模型，引入到纤维复合材料的破坏分析中，建立了预测无纺布层间增韧复合材料分层损伤产生与演化失效过程的计算方法。本发明通过对层间增韧复合材料I型破坏进行测试，获得增韧层材料的基本参数，建立反映增韧层真实厚度的复合材料分层破坏模型，采用有限元分析方法，低成本、高效率地分析无纺布层间增韧复合材料的损伤演化的规律，获得最佳增韧参数，为研究无纺布层间增韧机理提供支撑。

技术领域

本发明涉及一种材料损伤与演化失效的计算方法：即采用强度理论来预测无纺布层间增韧层脱层损伤的产生，通过能量释放量准则预测界面处宏观脱层裂纹的扩展，适用于无纺布层间增韧复合材料制备过程中增韧层参数的计算和界面应力演化过程的展示。

背景技术

层间增韧技术能够大幅度提高复合材料的韧性，关键在于层间增韧材料的选择。目前，具有高孔隙率结构的无纺布作为层间增韧材料成为近些年研究的热点。由于复合材料的各向异性，通过实验手段对无纺布层间增韧复合材料进行全面系统地分析，面临着周期长和成本高的现实现状。J积分等解析方法局限于二维平面结构，不能计算复杂的三维层合板的能量释放率。现有的有限元模型无法有效表征无纺布增韧层的物理特性，尤其是无纺布厚度。因此，迫切需要建立一种能有效反映尼龙无纺布层间增韧的物理模型，开展无纺布层间增韧复合材料的破坏分析。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种有效表征无纺布增韧层厚度的内聚力模型，建立了无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法。

本发明提供的无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法，在较短时间内高效率地实现对不同尺寸、力学参数、本构关系的试件模拟试验，获取了增韧层的最佳厚度，具体计算方法如下：

(1)选取无纺布层间增韧复合材料试样，该试样由上、下层纤维复合材料和中间无纺布增韧层构成的三明治结构，用双悬臂梁弯曲试验测试无纺布层间增韧复合材料的力学性能；

(2)确定增韧层在受外力加载过程中刚度K的变化模式，K＝K_n(1-d_n)，其中，K_n为材料完好时的刚度，即应力-位移曲线出现损伤前的斜率，d_n为损伤变量；

(3)选取能够反映无纺布增韧层损伤演化过程的损伤变量方程，其中，为界面材料点完全失效(即d_n＝1)时的单元节点的分离位移，为加载过程中的节点的界面分离位移，为损伤开始(即d_n＝0)时的界面分离位移；

(4)构建能够反映无纺布增韧层厚度的本构方程：其中δ为分离位移，为名义应力，P为轴向载荷，A为该载荷下的初始截面面积，为界面刚度，t_interlayer为桁架长度，即界面材料的初始厚度，E为材料弹性模量，形成无纺布层间增韧复合材料分层损伤产生与扩展的力学模型；

(5)设置与HB7402-96标准相同的边界条件，ABAQUS主程序加载位移，采用有限元分析方法对无纺布层间增韧复合材料分层过程进行计算求解，得到模拟的复合材料损伤与演化数据；

(6)将模拟结果与标准试验结果对比，验证有限元模型的有效性；

(7)采用控制变量法，改变无纺布增韧层性能参数，得到无纺布层间增韧复合材料的分层损伤演化规律。

本发明的意义体现在以下几个方面：

(1)采用对无纺布层间增韧复合材料标准件的测试，获得增韧层的基本本构参数，通过标准试验测量结果与有限性分析结果对比，建立有效表征无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的有限元模型。与现有试验手段对比，能够快速获得分析结果，缩短了研制周期、降低了研发成本。