一种基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法

摘要

本发明涉及一种基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法，以复合材料三维基本材料性能为输入参数，通过细观力学方法计算得到复合材料损伤后的材料性能，考虑了常见的七种失效模式，包括纤维拉伸，纤维压缩，基体拉伸，基体压缩，纤维-基体剪切，分层拉伸和分层压缩，最终得到复合材料渐进损伤分析中的材料退化模型，并用来进行复合材料结构的失效分析，不仅能够相当准确地预测结构失效强度，同时还能够预测结构的失效模式及位置。本发明基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法中，材料退化模型是通过理论分析得出，将复合材料的宏观失效与细观机理联系起来，与现有的基于经验或试验的材料退化模型相比，大大减少了时间和试验成本。

主权项

一种基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法，其特征在于包括以下步骤：步骤A，根据复合材料结构几何参数，建立三维有限元模型，施加边界条件及初始载荷；步骤B，基于三维有限元模型，进行应力分析，获得复合材料结构各单层的应力分布结果；步骤C，将复合材料结构各单层内的应力结果带入失效准则，进行材料失效判断；步骤D，如果材料没有发生失效，则保持材料性能不变，增大施加在有限元模型上的载荷，转入步骤B；步骤E，如果材料发生失效，进行结构失效判断；步骤F，如果结构没有失效，根据基于细观力学的材料退化模型进行材料刚度退化，增大施加在有限元模型上的载荷，转入步骤B；(F1)首先按照给定的失效准则判断失效部位材料的失效模式；(F2)若发生纤维拉伸失效，其退化系数d_ft和损伤模量分别为：d_ft＝c_mE_m/E₁₁其中E₁₁为复合材料纵向模量，E_m为基体模量，c_m为基体体积含量；(F3)若发生纤维压缩失效，其退化系数d_fc和损伤模量分别为：其中S₁₁,S₂₂,S₁₂,S₆₆是单层的正轴柔度矩阵元素，E₁₁为复合材料纵向模量，角度θ随着压缩载荷的增加在0到π/2之间变化，角度满足：(F4)若发生基体拉伸失效，其退化系数d_mt和损伤模量及损伤泊松比分别为：d_mt＝0其中E₂₂为复合材料横向模量，G₁₂和G₂₃分别为复合材料剪切模量，ν₁₂及ν₂₃分别为复合材料泊松比；(F5)若发生基体压缩失效，其退化系数d_mc和损伤模量及损伤泊松比分别为：d_mc≈0其中E₂₂为复合材料横向模量，G₁₂和G₂₃分别为复合材料剪切模量，ν₁₂及ν₂₃分别为复合材料泊松比；(F6)若发生分层拉伸失效，其退化系数d_dt和损伤模量及损伤泊松比分别为：d_dt＝0其中E₃₃为复合材料厚度方向模量，G₁₃和G₂₃分别为复合材料剪切模量，ν₁₃及ν₂₃分别为复合材料泊松比；(F7)若发生分层压缩失效，其退化系数d_dc和损伤模量及损伤泊松比分别为：d_dc≈0其中E₃₃为复合材料厚度方向模量，G₁₃和G₂₃分别为复合材料剪切模量，ν₁₃及ν₂₃分别为复合材料泊松比；(F8)若发生纤维‑基体剪切失效，其退化系数d_fm1、d_fm2和损伤模量及损伤泊松比分别为：其中，G₁₂，G₁₃和G₂₃为复合材料剪切模量，ν₁₂，ν₁₃及ν₂₃分别为复合材料泊松比，和为表达式分别为：其中，c_f为纤维体积含量，G_m为基体剪切模量；步骤G，如果结构发生失效，计算结束，则此时所施加的载荷即为复合材料结构的失效强度。