[发明专利]复合材料液压渗透载荷下界面失效与细观裂纹扩展预测方法

说明书

本发明公开了一种复合材料液压渗透载荷下界面失效与细观裂纹扩展预测方法，该方法使用断裂相场和界面相场表示模型的断裂状态和界面分布；在模拟预测过程中将相场法与Biot孔隙弹性介质理论相结合，计算液压载荷下模型的位移场和液体压强场分布，并计算位移场对断裂相场的影响，从而实现复合材料受液压载荷时细观尺度下裂纹生长的模拟。本发明在内聚力界面模型中考虑了界面法向与切向刚度。根据相场法模型，可以准确地模拟复合材料细观裂纹的生长和分叉。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料液压渗透载荷下界面失效与细观裂纹扩展预测方法。

背景技术

低温贮箱是火箭中一个完整的结构。贮箱的材料选择与其承载方式，制造工艺发展水平有着密切关系。随着复合材料技术的发展，金属与非金属材料(复合材料)相结合的方式也应用在贮箱的制造过程中，新一代贮箱材料的通常选择为无金属内衬层的复合材料。随着具有优良的冷热循环力学性能的复合材料不断的研发，使得没有金属内衬层的全复合材料贮箱成为航天器轻量化的主要发展方向。

复合材料构件在受到液压载荷的条件下容易在其内部产生微观裂纹，而这些微观裂纹在承受载荷时的扩展会导致结构的破坏失效。随着使用时间的增加，复合材料中的微裂纹扩展，进而产生孔隙、裂纹、分层等缺陷。当复合材料结构层中每层都出现横向裂纹与层间开裂时，就会形成沿厚度方向的泄露路径，所以复合材料在低温条件下的综合力学性能对贮箱质量的影响极为重要。为了降低设计制造成本，需要在设计过程中对复合材料的贮箱进行模拟。

复合材料的贮箱是一种压力容器，会受到其内部的液压载荷。现有复合材料压力容器断裂破坏问题主要依靠传统的层合板理论和应力因子方法解决，但这种方法不能很好的预测细观尺度下裂纹的产生和发展。原因在于该方法为几何描述方法，裂纹基于网格扩展，如单元删除法(单元失效法)、界面单元法等，最简单的是单元删除法，只需在满足条件时将单元的应力设置为零，但是单元删除法在计算裂纹分叉方面存在不足。界面单元法是最简单的计算裂纹分的方法，其通过在单元边界插入内聚力单元让裂纹在单元边界可以任意扩展，当单元边界达到断裂的判据准则时，界面单元会失效，但是对网格有依赖性，并且存在数值不稳定性。

相场法是利用弥散的相边界描述实际上较为尖锐的边界，通过引入参量，便可用连续函数描述断裂模型，在模拟时不显示追踪裂纹面，通过参量的自动演化获取裂纹路径和位置。

Biot孔隙弹性理论建立液体组分与孔隙介质的联系，固体的变形和液体压强变化相耦合，固体裂缝内的液体考虑为泊肃叶层流。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种复合材料液压渗透载荷下界面失效与细观裂纹扩展预测方法，该方法通过相场法模型与内聚力界面模型、Biot孔隙弹性介质理论，实现复合材料的裂纹生长模拟预测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料液压渗透载荷下界面失效与细观裂纹扩展预测方法，该方法在使用断裂相场和界面相场表示模型的断裂状态和界面分布；在模拟预测过程中将相场法与Biot孔隙弹性介质理论相结合，计算液压载荷下模型的位移场和液体压强场分布，并计算位移场对断裂相场的影响，从而实现复合材料受液压载荷时细观尺度下裂纹生长的模拟。

本发明的进一步改进在于：在模拟预测过程的开始阶段对模型进行前处理，前处理的过程包括确定模型的几何参数和力学性能参数。

本发明的进一步改进在于：

所述几何参数包括模型整体的长度、高度以及纤维的位置和直径；

所述力学性能参数包括基质的弹性模量，泊松比，临界应力，Biot模量，Biot系数，渗透系数，增强材料的弹性模量，泊松比，临界应力，Biot模量，Biot系数，以及界面的法向断裂能与切向断裂能；液体的粘性。