[发明专利]一种复合材料层合板混合式层间裂纹扩展分析方法

说明书

本发明公开了一种复合材料层合板混合式层间裂纹扩展分析方法，涉及复合材料层合板层间失效领域，本发明的分析方法包括以下过程：一、建立含一般分层裂纹的层合板模型；二、单一DCB试件裂纹扩展分析模型；三、单一ENF试件裂纹扩展分析模型；四、混合裂纹MMB试件裂纹扩展分析模型；本发明方法适用于分析复合材料层合板试件的单一及混合分层断裂模式下的裂纹扩展过程；在混合断裂模式中同时考虑了绕试件右端简支约束点的刚体转动和裂纹尖端的软化行为，该方法能够准确、可靠地预测一般混合式分层裂纹扩展行为，适用于工程实际，同时为数值仿真提供了一个可靠的交叉检验工具。

技术领域

本发明涉及复合材料层合板层间失效领域，具体涉及一种复合材料层合板混 合式层间裂纹扩展分析方法。

背景技术

在工程实际应用中的复合材料结构多为典型的薄壁结构，在外部载荷作用下， 如弯曲、冲击、面内压缩载荷或者制造过程中的残余应力，复合材料结构很容易 发生分层损伤。分层损伤主要是由复合材料的层间正应力和剪切应力引起，通常 发生在不同铺层角的层间、筋条、连接接头位置等应力梯度较大的区域。为最大 限度地提高复合材料结构的设计能力，发展有效、可靠的分层损伤预测方法是十 分重要的。尽管试验研究对于复合材料性能的表征和验证具有重要的价值和必要 性，但预测技术仍提供了一种以更低的成本、探索更多设计可能性的高效工具。

黏聚区模型(CZM)被广泛应用于纤维增强复合材料层合板结构的分层失 效与界面脱黏的模拟。目前，主要采用有限元法和解析法对CZM及分层裂纹扩 展进行研究。相对于有限元方法，解析法形式更为简单，且不存在数值稳定性的 问题，能够以较低成本讨论界面性能参数、本构形式对于裂纹扩展和最终失效载 荷的影响，有利于深入研究分层损伤扩展的力学行为。此外，理论研究能够为断 裂韧性试验的设计和数据处理方法的发展提供理论基础，且在数值仿真结果有效 性验证上也有一定的补充作用，促进CZM在复杂结构层间损伤分析中的应用。 因此，发展分层裂纹扩展的解析方法具有重要的理论和工程意义。

在工程实际中，混合断裂模式相对于单一型断裂模式更加常见，混合断裂模 式下的裂纹扩展分析及能量释放率的计算也更加复杂。目前应用广泛的典型混合 断裂试件多是基于由Reeder和Crews在1990年提出的混合型弯曲MMB试件。 由于具有可以通过改变试件的几何尺寸来获取不同的模式混合比的优点，并在 2001年被正式引入ASTM测试标准体系中。一般来说，MMB试件的混合裂纹 扩展可视为双悬臂梁弯曲(DCB)与端部缺口弯曲(ENF)试件裂纹扩展的叠加， 主要为基于弹性梁理论的混合型断裂裂纹叠加。刘伟先等研究了单向层合板 DCB及ENF试件中的裂纹扩展，其假设裂纹扩展之后黏聚区长度保持定值。此 外，已有研究仅考虑了裂纹长度不超过试件半长的情况。当层间裂纹长度超过试 件半长时，试件中部载荷对DCB试件裂纹分量存在闭合效应，这使得已有预测 方法所获得的临界能量释放率的预测值与试验值误差较大。同时，为保持DCB 及ENF分量的约束与叠加后的MMB试件一致，需进一步考虑DCB试件绕试件 右端简支约束点的刚体转动，使得预测结果与试验相符合。因此，开发一种混合 式裂纹扩展的分析方法，才能更好地预测复合材料层合板混合式层间裂纹扩展行 为。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种复合材料层合板混 合式层间裂纹扩展的理论分析方法，该方法能够准确、可靠地预测一般混合式分 层裂纹扩展行为，适用于工程实际，同时为数值仿真提供了一个可靠的交叉检验 工具。

本发明是这样实现的：

一种复合材料层合板混合式层间裂纹扩展分析方法，其特征在于，所述的分 析方法包括如下的四个过程：

一、建立含一般分层裂纹的层合板模型；

二、单一DCB试件裂纹扩展分析模型；

三、单一ENF试件裂纹扩展分析模型；

四、混合裂纹MMB试件裂纹扩展分析模型。