本發(fā)明給出了一種預(yù)報(bào)復(fù)合材料基體開(kāi)裂的失效判據(jù)，屬于復(fù)合材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的使用過(guò)程中，基體開(kāi)裂是起始最早、最常發(fā)生的一類(lèi)失效模式。尤其是對(duì)于具有90°疊層的層板復(fù)合材料，90°層中基體是主要的載荷承擔(dān)者，在外部載荷遠(yuǎn)小于其極限載荷時(shí)，由于基體斷裂應(yīng)變小于纖維的斷裂應(yīng)變，基體橫向?qū)訉⑹紫却怪庇诶燧d荷方向發(fā)生開(kāi)裂。由于復(fù)合材料基體開(kāi)裂尖端存在應(yīng)力場(chǎng)奇異問(wèn)題，傳統(tǒng)的局部應(yīng)力/應(yīng)變方法難以表征復(fù)合材料基體開(kāi)裂部位受力的大小，而能量判據(jù)則可避免裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)奇異問(wèn)題，更好地描述復(fù)合材料基體開(kāi)裂部位受力的強(qiáng)弱程度。因此，本發(fā)明提出了一種預(yù)報(bào)復(fù)合材料基體開(kāi)裂的失效判據(jù)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提出了一種預(yù)報(bào)復(fù)合材料基體開(kāi)裂的判據(jù)，為復(fù)合材料的損傷容限設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：步驟一、確定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下復(fù)合材料基體主要失效模式復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，復(fù)合材料基體的主要失效模式為相鄰纖維間的基體開(kāi)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(shù)脂基體可能發(fā)生的失效模式包括橫向拉伸/壓縮開(kāi)裂和面內(nèi)/面外剪切開(kāi)裂(如圖1所示)。步驟二、計(jì)算基體開(kāi)裂前儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(即σ22、τ12和τ23)下，開(kāi)裂前基體儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能密度分別為u22=σ2222E22u12=τ1222G12u23=τ2322G23---(1)]]>其中，下標(biāo)1、2分別代表復(fù)合材料的縱向和橫向，3代表復(fù)合材料的厚度方向。u22代表基體開(kāi)裂前的橫向拉壓彈性應(yīng)變能密度，u12代表基體開(kāi)裂前的面內(nèi)剪切彈性應(yīng)變能密度，u23代表基體開(kāi)裂前的面外剪切彈性應(yīng)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(nèi)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(yīng)力，τ12和τ23分別代表基體的面內(nèi)和面外切應(yīng)力。步驟三、計(jì)算基體開(kāi)裂時(shí)釋放的彈性應(yīng)變能在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(即σ22、τ12和τ23)下，基體發(fā)生開(kāi)裂失效時(shí)釋放的彈性應(yīng)變能密度分別為u22,cr=Y22E22u12,cr=S1222G12u23,cr=S2322G23---(2)]]>其中，u22,cr代表基體開(kāi)裂時(shí)釋放的臨界橫向拉壓彈性應(yīng)變能密度，u12,cr代表基體開(kāi)裂時(shí)釋放的臨界面內(nèi)剪切彈性應(yīng)變能密度，u23,cr代表基體開(kāi)裂時(shí)釋放的臨界面外剪切彈性應(yīng)變能密度。Y代表基體的橫向拉伸和壓縮強(qiáng)度，S12和S23代表基體的面內(nèi)和面外剪切強(qiáng)度。步驟四、建立基體開(kāi)裂的失效判據(jù)定義f22、f12和f23分別為基體橫向拉/壓失效、面內(nèi)剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指數(shù)，其表達(dá)式可寫(xiě)為f22=u22/u22,cr=(σ22Y)2f2=u12/u12,cr=(τ12S12)2f23=u23/u23,cr=(τ23S23)2---(3)]]>將橫向拉壓失效、面內(nèi)剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指數(shù)相加，得到基體開(kāi)裂總失效指數(shù)，即F=f22+f12+f23=(σ22Y)2+(τ12S12)2+(τ23S23)2---(4)]]>基體開(kāi)裂的失效判據(jù)可寫(xiě)為F≥1。優(yōu)點(diǎn)及功效：本發(fā)明提供的失效判據(jù)則可避免裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)奇異問(wèn)題，更好地描述復(fù)合材料基體開(kāi)裂部位受力的強(qiáng)弱程度，具有使用簡(jiǎn)單、方便，效率高的優(yōu)點(diǎn)，能為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。附圖說(shuō)明圖1為基體的可能破壞模式示意圖。圖2為基體開(kāi)裂失效判據(jù)發(fā)明方法流程圖。圖中符號(hào)說(shuō)明如下：圖1中的σ22為基體的橫向正應(yīng)力分量，τ12和τ23分別為基體的面內(nèi)和面外切應(yīng)力分量。具體實(shí)施方式圖2為本發(fā)明所述方法的流程框圖，本發(fā)明分四步實(shí)現(xiàn)，具體為：步驟一、確定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下復(fù)合材料基體主要失效模式復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，復(fù)合材料基體的主要失效模式為相鄰纖維間的基體開(kāi)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(shù)脂基體可能發(fā)生的失效模式包括橫向拉伸/壓縮開(kāi)裂和面內(nèi)/面外剪切開(kāi)裂(如圖1所示)。步驟二、計(jì)算基體開(kāi)裂前儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(即σ22、τ12和τ23)下，開(kāi)裂前基體儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能密度分別為u22=σ2222E22u12=τ1222G12u23=τ2322G23---(1)]]>其中，下標(biāo)1、2分別代表復(fù)合材料的縱向和橫向，3代表復(fù)合材料的厚度方向。u22代表基體開(kāi)裂前的橫向拉壓彈性應(yīng)變能密度，u12代表基體開(kāi)裂前的面內(nèi)剪切彈性應(yīng)變能密度，u23代表基體開(kāi)裂前的面外剪切彈性應(yīng)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(nèi)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(yīng)力，τ12和τ23分別代表基體的面內(nèi)和面外切應(yīng)力。步驟三、計(jì)算基體開(kāi)裂時(shí)釋放的彈性應(yīng)變能在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(即σ22、τ12和τ23)下，基體發(fā)生開(kāi)裂失效時(shí)釋放的彈性應(yīng)變能密度分別為u22,cr=Y22E22u12,cr=S1222G12u23,cr=S2322G23---(2)]]>其中，u22,cr代表基體開(kāi)裂時(shí)釋放的臨界橫向拉壓彈性應(yīng)變能密度，u12,cr代表基體開(kāi)裂時(shí)釋放的臨界面內(nèi)剪切彈性應(yīng)變能密度，u23,cr代表基體開(kāi)裂時(shí)釋放的臨界面外剪切彈性應(yīng)變能密度。Y代表基體的橫向拉伸和壓縮強(qiáng)度，S12和S23代表基體的面內(nèi)和面外剪切強(qiáng)度。步驟四、建立基體開(kāi)裂的失效判據(jù)定義f22、f12和f23分別為基體橫向拉/壓失效、面內(nèi)剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指數(shù)，其表達(dá)式可寫(xiě)為f22=u22/u22,cr=(σ22Y)2f2=u12/u12,cr=(τ12S12)2f23=u23/u23,cr=(τ23S23)2---(3)]]>將橫向拉壓失效、面內(nèi)剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指數(shù)相加，得到基體開(kāi)裂總失效指數(shù)，即F=f22+f12+f23=(σ22Y)2+(τ12S12)2+(τ23S23)2---(4)]]>基體開(kāi)裂的失效判據(jù)可寫(xiě)為F≥1。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3