[发明专利]一种碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法与本构模型

说明书

本发明公开了一种碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法与本构模型：首先，采用MTS万能试验机对碳纤维复合材料试件进行轴向的准静态压缩，得到低应变率压缩性能；然后，通过SHPB实验装置对碳纤维复合材料试件进行轴向的动态压缩实验，得到高应变率压缩性能；接着，采用复合材料混合定律验证准静态实验的合理性，采用波形变化关系验证动态压缩实验的准确性，提出联合型屈曲强度计算公式；最后，引入应变率项对实验结果进行拟合，得到碳纤维复合材料轴向压缩的应力应变本构模型。本发明得到的本构模型能较为准确地描述碳纤维复合材料轴向压缩的力学性能，且能为数值仿真和其他类似材料的轴向压缩性能测试提供参考。

技术领域

本发明属于压缩性能研究领域，具体涉及一种碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法与本构模型。

背景技术

环氧树脂是碳纤维增强聚合物复合材料中最常用的热固性聚合物，将其作为基体制成的碳纤维增强环氧树脂复合材料具有模量高、强度高、抗拉强度高、耐疲劳、耐高温、耐腐蚀、耐电击、密度小、可设计强等优点，广泛地应用于汽车、船舶、航空、航天、建筑等领域，被称为“黑色黄金”。碳纤维的发展非常迅速，目前常见的有T300、T700、T800等系列。近年来，更是出现了含有铺层的、多向编织的、多种碳纤维的复合材料。学者们的研究转向于含铺层的本构研究，并且加入了连续损伤效应，这样使得研究通常局限于现象描述和更新结构，然而对基础的单向碳纤维的压缩本构模型建立尚有不足。

曹翠微等[曹翠微,李照谦,李贺军,等.轴棒法编织C/C复合材料的热物理及烧蚀性能[J].固体火箭技术,2011,34(1):113-118.]对轴棒法编织三维四向C/C复合材料压缩及弯曲性能做了研究，观测了材料的压缩应力-应变曲线，给出了材料的失效过程，但是并未对本构模型进行研究。李彪等[李彪,杨勇新,岳清瑞,等.碳纤维复合材料棒材力学性能试验方法研究[J].工业建筑,2013,43(6):5-8.]通过实验研究了碳纤维长棒的拉伸性能，指出长碳纤维棒的拉伸破坏模式为脆性断裂和爆炸式断裂，并绘制了拉伸应力应变曲线；C.SOUTIS[Soutis C.Compression testing of pultruded carbon fibre-epoxycylindrical rods[J].Journal of Materials Science,2000,35(14):3441-3446.]开展了挤压碳纤维-环氧圆柱杆的压缩试验，材料为T300/828，直径4mm，有效长度13mm，压缩速率1mm/min；这两个文献的相同之处在于，试件是长尺寸试件且只进行了静态的拉伸和压缩实验，未对本构模型进行研究。

本构模型是描述一类材料的力学性能的基本方程，是材料力学特性研究的重中之重，是数值计算发展的核心要点。为了弥补和丰富单向碳纤维复合材料的压缩力学领域，需要提出一种真实应力应变状态下的本构模型。本发明基于MTS和SHPB实验设备，开展了碳纤维复合材料轴向压缩性能测试，提出了一种本构模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法与本构模型，以建立碳纤维复合材料轴向压缩的本构模型，为数值仿真和其他类似材料的轴向压缩性能测试提供参考。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法与本构模型，包括以下步骤：

步骤1、采用MTS万能试验机对碳纤维复合材料试件(直径10mm×长度10mm的圆柱)进行轴向的准静态压缩，得到低应变率压缩性能；

步骤2、通过SHPB实验装置对碳纤维复合材料试件(直径10mm×长度5mm的圆柱)进行轴向的动态压缩实验，得到高应变率压缩性能；

步骤3、采用复合材料混合定律验证准静态实验的合理性，采用波形变化关系验证动态压缩实验的准确性，提出联合型屈曲强度计算公式；

步骤4、引入应变率项对实验结果进行拟合，得到碳纤维复合材料轴向压缩的应力应变本构模型。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：