[发明专利]一种基于新型内聚力本构关系的CFRP层板分层失效行为预测方法

说明书

本发明涉及一种基于新型内聚力本构关系的CFRP层板分层失效行为预测方法，包括以下步骤：(1)设计制造具有不同铺层界面的CFRP层板分层试件；(2)采用DCB装置开展分层试验；(3)通过修正梁理论计算层间断裂韧性；(4)采用CT扫描和SEM技术，揭示层板分层微观失效机理，建立基于失效机理的新型内聚力本构关系；(5)通过数值方法建立新型内聚力本构的关键参数模型；(6)验证新型内聚力本构关系的正确性和适用性；(7)采用验证通过的内聚力模型预测任意界面铺层角度下的CFRP层板分层扩展行为。本发明可有效预测典型CFRP层板结构的分层失效行为，显著缩短试验周期，降低试验成本；同时为CFRP结构部件的损伤容限评定和材料结构强度一体化设计提供理论基础。

技术领域

本发明涉及一种基于新型内聚力本构关系的CFRP层板分层失效行为预测方法，适用于航空航天、风电、轨道交通和体育等领域广泛使用的CFRP层板分层失效行为和结构强度的预测。

背景技术

高比强度、比刚度的复合材料被广泛应用于现代飞行器中来实现结构减重和提高燃油效率等目标。层板是飞行器复合材料结构中最为常用的构型之一，但由于在厚度方向缺少增强，复合材料层板的层间性能远低于其面内性能。同时由于铺层间泊松比的不匹配及热膨胀系数的各向异性，在结构的自由边、变厚度区域和孔边等几何不连续处以及机械连接处会产生高层间应力集中区。这种高的层间应力加上弱的层间性能会导致复合材料层板在服役过程中受到外来物体冲击后极易出现分层损伤。分层的发生和扩展意味着相邻材料层间性能的退化，将导致复合材料层板结构强度和刚度的显著降低，甚至可能造成外部不可察觉的灾难性结构破坏，这对于结构的完整性、寿命和安全性都是极其不利的，将严重制约复合材料在飞行器主承力结构中的应用。因此，分层问题的研究具有重要的科学意义和工程应用价值，已成为飞行器复合材料结构损伤容限设计与分析领域的重要研究内容。

复合材料结构部件首先要满足静强度设计要求，而层间力学性能是对含分层损伤复合材料结构进行强度分析的基础。层间断裂韧性是表征复合材料层间力学性能的关键指标。复合材料通常用应变能释放率来描述分层扩展特性。层间断裂韧性，即临界应变能释放率，被用来表征复合材料层板抵抗分层破坏的能力。

工程实际中应用的复合材料层板通常为多向层板。由于纤维桥接的尺寸依赖性，层间断裂韧性不再为单一的恒定值，而表现为显著的R阻力曲线特征。在数值模拟过程中考虑纤维桥接的影响对于准确预测复合材料多向层板结构中的分层扩展行为非常重要。研究者提出采用考虑纤维桥接影响的内聚力模型，但是现有本构模型构建时的假设缺乏物理依据。此外，模型的确定需要较多的参数，这些参数没有明确的计算方法，导致模型难以用于工程实际复合材料结构的损伤扩展设计。因此，有必要发展一种基于失效机理且模型参数较少的新型本构内聚力模型，用于准确预测纤维桥接影响下的复合材料层板分层失效行为。研究成果对飞行器复合材料结构的损伤容限设计与分析具有重要的理论意义和指导价值，最终助力于提升复合材料在结构上的用量和应用水平。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于失效机理且参数体系简单的新型内聚力本构关系的CFRP层板分层失效行为预测方法，适用于工程应用，显著缩短试验时间，降低试验成本，同时更好地保障结构安全性。

本发明的技术解决方案，一种基于新型内聚力本构关系的CFRP层板分层失效行为预测方法，实现步骤如下：

步骤1，根据ASTM D5528-13标准设计并制造界面为0°/5°、45°/-45°和90°/90°的CFRP层板分层试样；

步骤2，根据ASTM标准D5528-13的规定，采用双悬臂梁试验装置对上述试样开展静力载荷作用下的张开型分层试验，同步记录载荷、位移和分层长度数据；

步骤3，基于修正梁理论的数据处理方法，计算得到张开型分层的层间断裂韧性数据；

步骤4，从分层微观失效机理出发，建立物理意义明确、参数体系简单的新型内聚力本构关系；