[發明專利]一種含脫層復合材料層合板Ⅱ型裂紋擴展的分析方法

在審

• 申請號: 202011253612.3
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112446140A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 薛江紅;夏飛;姚思詩;何贊航;金福松
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C60/00;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 詹麗紅

本發明公開了一種含脫層復合材料層合板Ⅱ型裂紋擴展的分析方法，包括以下步驟：S1、建立含脫層復合材料層合板的數學模型；S2、基于一階剪切變形理論，確定非線性幾何變形場和控制方程組；S3、求解控制方程組，得到含脫層復合材料層合板的非線性后屈曲響應；S4、計算求解含脫層復合材料層合板的彈性能，外力功及表面能，得出系統勢能的改變量；S5、求解能量釋放率和臨界擴展荷載。本發明建立了一種通用的預測Ⅱ型裂紋擴展的計算方法，該計算方法不受脫層參數和幾何尺寸的約束，可以廣泛應用于復合材料脫層薄壁結構的Ⅱ型裂紋擴展分析，為含脫層復合材料層合板脫層擴展以及剩余強度評估提供了理論基礎和參考方法。

技術領域

本發明涉及復合材料層合結構層間失效計算技術領域，具體涉及一種含脫層復合材料層合板Ⅱ型裂紋擴展的分析方法。

背景技術

復合材料由于其良好的性能在各領域得到廣泛的應用，尤其是復合材料層合結構。層合板的基體多為樹脂，用纖維作為增強體，通過單層板的鋪設制成，層間性能主要取決于較弱的基體，因此層間脫層破壞是眾多損傷模式中最主要的損傷模式。脫層不僅直接導致了層合板承載能力的下降，隨著外載荷的增加，層間裂紋還會進一步擴展，直至結構破壞失效。

根據具體的服役工況和承載情況，復合材料脫層擴展模式主要分為Ⅰ型張開型、Ⅱ型滑移型和Ⅲ型撕開型，且Ⅰ型和Ⅱ型工程中較多。由板殼理論假設可知，對于承受面內壓縮載荷作用的層板，厚度方面的正應力很小，不足以導致Ⅰ型裂紋擴展的發生，故此時含初始脫層的面板主要發生的是由于剪應力累積發生的Ⅱ型擴展。

由于層間應力場的奇異性，用應力強度因子分析層合板裂紋擴展方法有一些局限性，因此標志著層間斷裂能量變化情況的能量釋放率已被證明且廣泛應用于裂紋擴展的理論計算。針對含脫層復合材料層合板承受面內荷載作用下Ⅱ型裂紋擴展的能量釋放率的計算問題，如何尋求一個準確的數學模型，同時考慮到剪切變形等理論的影響，如何引入初始脫層損傷，都是需要考慮的因素。因此，建立準確高效的含脫層損傷復合材料層合板裂紋擴展的評估方法，是工程實踐中復合材料層合結構設計分析工作的關鍵。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，基于一階剪切變形理論、Griffith斷裂理論和可動邊界變分原則，提供一種含脫層復合材料層合板在軸壓作用下Ⅱ型裂紋發生擴展的應變能量釋放率理論計算方法，可便捷得出不同脫層情況和幾何尺寸下的臨界擴展載荷，以進行強度校核。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種含脫層復合材料層合板Ⅱ型裂紋擴展的分析方法，所述分析方法包括以下步驟：

S1、建立含脫層復合材料層合板的數學模型；

S2、基于一階剪切變形理論，確定非線性幾何變形場和控制方程組；

S3、求解步驟S2中的控制方程組，得到含脫層復合材料層合板的非線性后屈曲響應；

S4、計算含脫層復合材料層合板的彈性能、外力功及表面能；

S5、求解能量釋放率和臨界擴展荷載。

進一步地，所述步驟S1過程如下：

建立全局坐標系，初始脫層沿著Y方向貫穿，預擴展方向沿著X軸，根據貫穿脫層的實際位置，沿著脫層前沿邊界線，將層合板進行劃分為四個子板，依次備注為子板1、子板2、子板3和子板4，其中脫層位于子板2和子板3之間，子板1或子板4分別子板2與子板3之間通過力和位移連續性條件加以約束，子板2和子板3之間的接觸界面考慮法向接觸效應，保證分析得出的數學模型與實際的含脫層復合材料層合板一致。

進一步地，所述步驟S2過程如下：

S21、根據一階剪切變形理論，建立各子板的位移場(u⁽ⁱ⁾，v⁽ⁱ⁾，w⁽ⁱ⁾)：