一種預報復合材料基體開裂的失效判據制造技術

一種預報復合材料基體開裂的失效判據，該方法有四大步驟：步驟一、確定復雜應力狀態下復合材料基體主要失效模式；步驟二、計算基體開裂前儲存的彈性應變能；步驟三、計算基體開裂時釋放的彈性應變能；步驟四、建立基體開裂的失效判據；本發明專利技術特點是提出了一種預報復合材料基體開裂的失效判據，可避免裂紋尖端應力場奇異問題，更好地描述復合材料基體開裂部位受力的強弱程度，具有使用簡單、方便，效率高的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術給出了一種預報復合材料基體開裂的失效判據，屬于復合材料設計領域。
技術介紹
在纖維增強復合材料層合板的使用過程中，基體開裂是起始最早、最常發生的一類失效模式。尤其是對于具有90°疊層的層板復合材料，90°層中基體是主要的載荷承擔者，在外部載荷遠小于其極限載荷時，由于基體斷裂應變小于纖維的斷裂應變，基體橫向層將首先垂直于拉伸載荷方向發生開裂。由于復合材料基體開裂尖端存在應力場奇異問題，傳統的局部應力/應變方法難以表征復合材料基體開裂部位受力的大小，而能量判據則可避免裂紋尖端的應力場奇異問題，更好地描述復合材料基體開裂部位受力的強弱程度。因此，本專利技術提出了一種預報復合材料基體開裂的失效判據，為復合材料結構的損傷容限設計提供技術支持。
技術實現思路
本專利技術提出了一種預報復合材料基體開裂的判據，為復合材料的損傷容限設計提供技術支持。本專利技術的技術方案如下：步驟一、確定復雜應力狀態下復合材料基體主要失效模式復雜應力狀態下，復合材料基體的主要失效模式為相鄰纖維間的基體開裂。在橫向拉/壓力以及剪切力作用下，單層板相鄰纖維之間的樹脂基體可能發生的失效模式包括橫向拉伸/壓縮開裂和面內/面外剪切開裂(如圖1所示)。步驟二、計算基體開裂前儲存的彈性應變能在復雜應力狀態(即σ22、τ12和τ23)下，開裂前基體儲存的彈性應變能密度分別為 u 22 = σ 22 2 2 E 22 u 12 = τ 12 2 2 G 12 u 23 = τ 23 2 2 G 23 - - - ( 1 ) ]]>其中，下標1、2分別代表復合材料的縱向和橫向，3代表復合材料的厚度方向。u22代表基體開裂前的橫向拉壓彈性應變能密度，u12代表基體開裂前的面內剪切彈性應變能密度，u23代表基體開裂前的面外剪切彈性應變能密度。E22代表基體的橫向拉伸和壓縮模量，G12代表基體的面內剪切模量，G23代表基體的面外剪切模量。σ22代表基體的橫向正應力，τ12和τ23分別代表基體的面內和面外切應力。步驟三、計算基體開裂時釋放的彈性應變能在復雜應力狀態(即σ22、τ12和τ23)下，基體發生開裂失效時釋放的彈性應變能密度分別為 u 22 , c r = Y 2 2 E 22 u 12 , c r = S 12 2 2 G 12 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種預報復合材料基體開裂的失效判據，該判據的具體步驟如下：步驟一、確定復雜應力狀態下復合材料基體主要失效模式復雜應力狀態下，復合材料基體的主要失效模式為相鄰纖維間的基體開裂。在橫向拉/壓力以及剪切力作用下，單層板相鄰纖維之間的樹脂基體可能發生的失效模式包括橫向拉伸/壓縮開裂和面內/面外剪切開裂。步驟二、計算基體開裂前儲存的彈性應變能在復雜應力狀態(即σ22、τ12和τ23)下，開裂前基體儲存的彈性應變能密度分別為u22=σ2222E22u12=τ1222G12u23=τ2322G23---(1)]]>其中，下標1、2分別代表復合材料的縱向和橫向，3代表復合材料的厚度方向。u22代表基體開裂前的橫向拉壓彈性應變能密度，u12代表基體開裂前的面內剪切彈性應變能密度，u23代表基體開裂前的面外剪切彈性應變能密度。E22代表基體的橫向拉伸和壓縮模量，G12代表基體的面內剪切模量，G23代表基體的面外剪切模量。σ22代表基體的橫向正應力，τ12和τ23分別代表基體的面內和面外切應力。步驟三、計算基體開裂時釋放的彈性應變能在復雜應力狀態(即σ22、τ12和τ23)下，基體發生開裂失效時釋放的彈性應變能密度分別為u22,cr=Y22E22u12,cr=S1222G12u23,cr=S2322G23---(2)]]>其中，u22,cr代表基體開裂時釋放的臨界橫向拉壓彈性應變能密度，u12,cr代表基體開裂時釋放的臨界面內剪切彈性應變能密度，u23,cr代表基體開裂時釋放的臨界面外剪切彈性應變能密度。Y代表基體的橫向拉伸和壓縮強度，S12和S23代表基體的面內和面外剪切強度。步驟四、建立基體開裂的失效判據定義f22、f12和f23分別為基體橫向拉/壓失效、面內剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指數，其表達式可寫為f22=u22/u22,cr=(σ22Y)2f12=u12/u12,cr=(τ12S12)2f23=u23/u23,cr=(τ23S23)2---(3)]]>將橫向拉壓失效、面內剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指數相加，得到基體開裂總失效指數，即F=f22+f12+f23=(σ22Y)2+(τ12S12)2+(τ23S23)2---(4)]]>基體開裂的失效判據可寫為F≥1。功能特征：避免復合材料基體裂紋尖端的應力場奇異問題，能更好地描述復合材料基體開裂部位受力的強弱程度，具有使用簡單、方便，效率高的優點。...

【技術特征摘要】
1.一種預報復合材料基體開裂的失效判據，該判據的具體步驟如下：步驟一、確定復雜應力狀態下復合材料基體主要失效模式復雜應力狀態下，復合材料基體的主要失效模式為相鄰纖維間的基體開裂。在橫向拉/壓力以及剪切力作用下，單層板相鄰纖維之間的樹脂基體可能發生的失效模式包括橫向拉伸/壓縮開裂和面內/面外剪切開裂。步驟二、計算基體開裂前儲存的彈性應變能在復雜應力狀態(即σ22、τ12和τ23)下，開裂前基體儲存的彈性應變能密度分別為 u 22 = σ 22 2 2 E 22 u 12 = τ 12 2 2 G 12 u 23 = τ 23 2 2 G 23 - - - ( 1 ) ]]>其中，下標1、2分別代表復合材料的縱向和橫向，3代表復合材料的厚度方向。u22代表基體開裂前的橫向拉壓彈性應變能密度，u12代表基體開裂前的面內剪切彈性應變能密度，u23代表基體開裂前的面外剪切彈性應變能密度。E22代表基體的橫向拉伸和壓縮模量，G12代表基體的面內剪切模量，G23代表基體的面外剪切模量。σ22代表基體的橫向正應力，τ12和τ23分別代表基體的面內和面外切應力。步驟三、計算基體開裂時釋放的彈性應變能在復雜應力狀態(即σ22、τ12和τ23)下，基體發生開裂失效時釋放的彈性應變能密度分別為 u 22 , c r = Y 2 2 E 22 u 12 , c r = S 12 2 2 G 12 u 23 , c r = S 23 2 2 G 23 ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊峻江，杜屹森，朱云濤，云新堯，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11