[發明專利]GFRP錨桿拉伸過程細觀力學分析方法

在審

• 申請號: 201810357300.3
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108920734A
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發明（設計）人: 王延慶;劉增光;吳北成
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 黃雪蘭

1.一種GFRP錨桿拉伸過程細觀力學分析方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟1)有限元模型的建立

步驟1.1)幾何模型建立，GFRP錨桿中，纖維相等向長纖維，與桿體等長，且垂直于錨桿橫截面，均勻分布在整個錨桿桿體中；樹脂基體為不飽和聚酯樹脂；選取合適體積尺寸，樹脂基體中等間距地埋入多根單數量的高強玻璃纖維，纖維的直徑與間距均相同；預設中間一根玻璃纖維在中間位置斷裂，建立有限元模型；

步驟1.2)設置材料屬性，纖維和基體的彈性模量和泊松比都不隨溫度的改變而改變，假定基體材料是均勻的，纖維也是均勻的，不考慮材料的非均勻性對裂紋擴展的影響；

步驟1.3)定義邊界條件和載荷，只考慮單向拉伸，不考慮纖維的壓縮和剪切破壞，模型在受載時不發生轉動；設纖維的軸向向右為x軸的正方向，垂直于纖維軸向向下為y軸的正方向；模型左端固定，在右端施加平行于纖維軸向的載荷進行拉伸；假定纖維和基體的結合良好，纖維和基體成為一個整體，在右端面纖維和基體的位移大小和方向相同；

步驟1.4)單元選擇和網格劃分，選用支持顯式動力學分析所有非線性特性的顯式結構薄殼Shell 163單元，并選用該結構最快的Belytschko-Tsay算法，選映射網格，減少單元總數，提高計算效率；

步驟1.5)材料模型，采用雙線性隨動材料模型BKIN，根據其提供的彈性模型、密度、泊松比、屈服應力和切線模量參數進行設置，定義纖維材料屬性和失效應變；

步驟1.6)設定失效準則和模擬流程，設置界面節點的有效塑性失效應變為纖維的1％時為弱界面，界面節點的有效塑性失效應變為纖維的40％時為強界面；采用最大應變失效準則；

步驟2)數值計算結果及分析

步驟2.1)裂紋擴展分析，在弱界面情況下，纖維斷裂處產生的裂紋沿界面進行擴展但未向基體中進行擴展，已斷纖維明顯被拉脫，裂紋沿著纖維和基體的界面進行擴展，完好纖維上的等效正應力比已斷纖維上的等效正應力大一個數量級，也比基體上的等效正應力大一個數量級，因此，完好纖維承擔了主要的拉伸載荷；已斷纖維鄰近的基體上，在裂紋尖端附近產生應力集中，且應力集中的程度隨著遠離裂紋尖端而減小；在次鄰近及其以外的基體上由于完好纖維承擔了主要載荷，基體上的應力不大，沒有產生應力集中；

在強界面情況下，纖維斷裂處產生的裂紋穿過纖維和基體之間的界面向基體中進行擴展，已斷纖維鄰近纖維上有小區域的應力集中，但應力集中程度較大，且出現在裂紋尖端的附近；已斷纖維鄰近及次臨近的基體上，在裂紋尖端附近都產生了應力集中，但應力集中的程度隨著遠離裂紋而減小；由于強界面下，應力可以在一定程度上被縱向傳遞，在次鄰近以外的基體上沒有產生應力集中；

步驟2.2)已斷纖維的受力對比分析，已斷纖維上從遠離斷點的一定位置，應力逐步恢復并達到一個穩定載荷；在強界面情況下，已斷纖維的應力很快得到恢復，并達到一個較大的值；在弱界面情況下，已斷纖維的應力要經過一段較長的距離才能得到恢復，并且恢復后應力的值遠小于鄰近纖維的應力值，因為強界面具有較好的束縛應力集中面積的作用，纖維在強界面情況下應力恢復的能力要比弱界面情況下強；

已斷纖維的等效正應力分布曲線分為線性恢復段、指數恢復段和常數穩定段；同時，在斷點周圍沿軸向范圍內，隨距離斷裂纖維距離的增加，纖維上的應力都在逐步恢復，裂紋產生的擾動效應在減少；

步驟2.3)鄰近纖維的受力對比分析，由于應力集中的出現，無論在強、弱界面情況下，鄰近纖維沿其軸向，都從一個較高的應力集中值逐步恢復到一個穩定的載荷；在強界面情況下，鄰近纖維的正應力經過一段很短的距離即可得到恢復，達到一個較大的值；在弱界面情況下，鄰近纖維的正應力則要經過一段較長的距離才能得到恢復，并且恢復后應力的值遠小于次鄰近纖維的應力值，再次表明纖維在強界面下的應力恢復能力比弱界面下要強。

2.根據權利要求1所述的一種GFRP錨桿拉伸過程細觀力學分析方法，其特征是，所述步驟1.3)中，所述載荷的加載速率為0.02mm/s，對模型施加的拉伸應變ε＝1.4％。