[發明專利]考慮纖維增強復合材料復雜非線性行為的彈粘塑性本構模型構建方法

有效

• 申請號: 201910109040.2
• 申請日: 2019-02-03
• 公開（公告）號: CN109902362B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 任銳;馬大為
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種考慮纖維增強復合材料復雜非線性行為的彈粘塑性本構模型構建方法，構建考慮復合材料拉伸、壓縮屈服不對稱性及靜水壓力影響的粘塑性勢函數，通過非關聯流動準則獲取增量形式的粘塑性應變；基于過應力函數定義動態屈服面，考慮材料各向同性硬化在拉伸、壓縮下的區別以及動態屈服面的率相關效應；考慮滯后彈性變形的存在，定義加載階段和松弛階段的過應力函數與等效粘塑性應變率的關系，形成描述復合材料復雜非線性行為的彈粘塑性本構模型。本發明可有效地描述纖維增強復合材料的彈粘塑性行為，可應用于商業有限元軟件復合材料連續本構的開發、復合材料工程結構力學性能的分析及優化等科研、工程技術領域。

技術領域

本發明涉及復合材料力學行為的數值建模領域，具體涉及一種考慮纖維增強復合材料復雜非線性行為的彈粘塑性本構模型構建方法。

背景技術

相較于傳統金屬材料，纖維增強聚合物基復合材料具備較高的比剛度、比強度，被廣泛應用于武器裝備、航空航天、車輛船舶等領域。由于復合材料在使用過程中受載時表現出一定的彈粘塑性行為，直至材料出現損傷退化，對結構承載能力造成影響。可靠地掌握復合材料在損傷前的非線性彈粘塑性特性，對準確地預測復合材料結構的損傷失效從而優化設計復合材料結構性能具有重要的意義。因此，有必要構建能描述復合材料復雜非線性彈粘塑性行為的本構模型。

目前，已有關于復合材料的彈粘塑性本構模型被提出，并被應用于科研及工程技術領域中。纖維增強復合材料在實際使用過程中，經受復雜的外力加載作用，內部應力狀態復雜，復合材料受載的率效應、拉伸和壓縮屈服特性的不對稱性、材料靜水壓力影響以及動態屈服后加載和卸載行為不一致的特性均對復合材料結構的力學響應行為產生影響，而現有纖維增強復合材料彈粘塑性本構模型未能綜合考慮上述因素，尚且缺少一個能完善地描述上述復合材料復雜力學特性的彈粘塑性本構模型。Wang?Jie及其合作者在期刊Composite?Structures公開發表的一篇文獻Modeling?of?nonlinear?response?inloading-unloading?tests?for?fibrous?composites?under?tension?and?compression，表明了復合材料在加載條件下表現出復雜的非線性行為：在拉伸和壓縮加載下的屈服行為不同，在循環加卸載過程中存在一定的棘輪效應。該文章提出了一種能描述材料拉、壓屈服不對稱特性及存在滯后彈性變形的彈粘塑性模型，并且采用了關聯流動準則預測粘塑性變形。雖然該本構模型能較為準確地預測復合材料的非線性彈粘塑性行為，并利用滯后彈性變形描述了動態屈服后加載和卸載行為的不同，但是忽略了靜水壓力及加載速率對材料屈服的影響，模型中采用的關聯流動準則導致難以得出正確的材料塑性泊松比和體塑性應變(期刊論文Modeling?the?inelastic?deformation?and?fracture?of?polymercomposites-Part?I:plasticity?model中有所解釋)。因此，該模型難以適用于對不同加載速率條件下復合材料非線性彈粘塑性力學行為的預測。

在現有的商用大型有限元軟件中，尚未見存在能夠直接提供給用戶對復合材料上述復雜非線性彈粘塑性行為進行分析的模型，而合適的可用于有限元中準確地預測復合材料非線性彈粘塑性行為的本構模型是緊缺的，進一步增加了工程技術人員分析復合材料結構非線性彈粘塑性力學響應的難度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種考慮纖維增強復合材料復雜非線性行為的彈粘塑性本構模型構建方法，綜合考慮復合材料靜水壓力對屈服的影響、拉伸壓縮屈服特征不同、材料率相關行為、動態屈服后加載和卸載行為不一致等復雜非線性因素。

實現本發明目的的技術方案為：一種考慮纖維增強復合材料復雜非線性行為的彈粘塑性本構模型構建方法，包括以下步驟：

步驟1，在全局坐標系中建立復合材料應力應變關系；

步驟2，構建粘塑性勢函數及等效應力函數；

步驟3，基于非關聯流動準則獲取材料的粘塑性應變增量，并建立屈服函數；