[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于包括以下步骤：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；所述步骤3利用修正梁理论确定层间断裂韧性G_C表达式为：其中：b为试样宽度，a是分层长度，P_C和δ_C分别是对试样施加的载荷和位移。|Δ|是分层长度的修正因子，计算的具体方法是，通过分层扩展实验获得试样实测柔度(C＝d/P)，对测得的C^1/3～a数据点进行线性拟合，拟合直线在横轴上截距则为分层长度的修正因子Δ。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。新型内聚力本构由两个分别代表基体和纤维失效的双线性本构关系组合而成，如附图2所示，其中单点画线线段代表基体的分层失效，所组成的三角形面积等于分层扩展的起始断裂韧性G_ini。双点画线线段代表桥接纤维失效，所组成的三角形OBC面积等于由纤维桥接引起的断裂韧性G_bri；两断裂韧性值之和等于纤维桥接完全发展后分层扩展的稳态断裂韧性G_prop；所述步骤4中提出的新型内聚力本构关系的本构方程为：其中σ和δ分别为内聚力单元的应力与位移。d为全局损伤变量。为初始刚度矩阵中的元素，并定义为：其中K₀为新型内聚力本构的界面初始刚度，等于表征基体分层失效的内聚力单元界面初始刚度K₁与表征纤维桥接的内聚力单元界面初始刚度K₂之和。为Kronecker函数。K_AB和K_BC分别为附图2中直线AB和BC的斜率，由几何关系可得，其值可通过下面的表达式计算得到其中σ₀和σ_b分别为表征基体分层失效的双线性本构的界面强度和表征桥接纤维的双线性本构的桥接强度。δ₀、δ_b和δ_f分别为基体损伤起始对应的临界损伤位移、基体完全失效对应的临界损伤位移和纤维桥接充分发展后桥接纤维失效对应的临界失效位移。步骤5，建立CFRP层板有限元模型，通过用户自定义子程序的二次开发，建立新型内聚力本构的关键参数模型；所述步骤5中基于Python语言开发复合材料层板快速建模以及网格自动划分程序包，采用有限元软件建立层板分层扩展模拟的三维有限元模型，编写用户自定义材料子程序来实现新型本构关系在内聚力单元中的嵌入。通过数值方法研究内聚力模型中界面初始刚度、界面强度、粘性系数和内聚力区最小单元数等关键参数的确定，建立适用于复合材料多向层板分层扩展行为模拟的内聚力单元参数模型。步骤6，通过对比试验和数值预测结果，验证新型内聚力本构关系的正确性和适用性；所述步骤6中对基于新型内聚力本构关系的有限元模型进行应力分析，获得数值计算结果，利用有限元后处理功能，提取加载点的载荷位移曲线，与实验得到的载荷位移曲线进行对比，对所提出的新型本构关系的正确性和适用性开展验证。步骤7，采用验证通过的新型内聚力本构模型预测任意界面铺层角度下的CFRP层板分层扩展行为。