[發(fā)明專利]復合材料液壓滲透載荷下界面失效與細觀裂紋擴展預測方法

有效

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• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112487557B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設計）人: 張律文;田坤
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產(chǎn)權代理有限公司 31227
• 代理人: 孟旭彤

本發(fā)明公開了一種復合材料液壓滲透載荷下界面失效與細觀裂紋擴展預測方法，該方法使用斷裂相場和界面相場表示模型的斷裂狀態(tài)和界面分布；在模擬預測過程中將相場法與Biot孔隙彈性介質(zhì)理論相結合，計算液壓載荷下模型的位移場和液體壓強場分布，并計算位移場對斷裂相場的影響，從而實現(xiàn)復合材料受液壓載荷時細觀尺度下裂紋生長的模擬。本發(fā)明在內(nèi)聚力界面模型中考慮了界面法向與切向剛度。根據(jù)相場法模型，可以準確地模擬復合材料細觀裂紋的生長和分叉。

技術領域

本發(fā)明涉及復合材料技術領域，具體涉及一種復合材料液壓滲透載荷下界面失效與細觀裂紋擴展預測方法。

背景技術

低溫貯箱是火箭中一個完整的結構。貯箱的材料選擇與其承載方式，制造工藝發(fā)展水平有著密切關系。隨著復合材料技術的發(fā)展，金屬與非金屬材料(復合材料)相結合的方式也應用在貯箱的制造過程中，新一代貯箱材料的通常選擇為無金屬內(nèi)襯層的復合材料。隨著具有優(yōu)良的冷熱循環(huán)力學性能的復合材料不斷的研發(fā)，使得沒有金屬內(nèi)襯層的全復合材料貯箱成為航天器輕量化的主要發(fā)展方向。

復合材料構件在受到液壓載荷的條件下容易在其內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂紋，而這些微觀裂紋在承受載荷時的擴展會導致結構的破壞失效。隨著使用時間的增加，復合材料中的微裂紋擴展，進而產(chǎn)生孔隙、裂紋、分層等缺陷。當復合材料結構層中每層都出現(xiàn)橫向裂紋與層間開裂時，就會形成沿厚度方向的泄露路徑，所以復合材料在低溫條件下的綜合力學性能對貯箱質(zhì)量的影響極為重要。為了降低設計制造成本，需要在設計過程中對復合材料的貯箱進行模擬。

復合材料的貯箱是一種壓力容器，會受到其內(nèi)部的液壓載荷。現(xiàn)有復合材料壓力容器斷裂破壞問題主要依靠傳統(tǒng)的層合板理論和應力因子方法解決，但這種方法不能很好的預測細觀尺度下裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。原因在于該方法為幾何描述方法，裂紋基于網(wǎng)格擴展，如單元刪除法(單元失效法)、界面單元法等，最簡單的是單元刪除法，只需在滿足條件時將單元的應力設置為零，但是單元刪除法在計算裂紋分叉方面存在不足。界面單元法是最簡單的計算裂紋分的方法，其通過在單元邊界插入內(nèi)聚力單元讓裂紋在單元邊界可以任意擴展，當單元邊界達到斷裂的判據(jù)準則時，界面單元會失效，但是對網(wǎng)格有依賴性，并且存在數(shù)值不穩(wěn)定性。

相場法是利用彌散的相邊界描述實際上較為尖銳的邊界，通過引入?yún)⒘浚憧捎眠B續(xù)函數(shù)描述斷裂模型，在模擬時不顯示追蹤裂紋面，通過參量的自動演化獲取裂紋路徑和位置。

Biot孔隙彈性理論建立液體組分與孔隙介質(zhì)的聯(lián)系，固體的變形和液體壓強變化相耦合，固體裂縫內(nèi)的液體考慮為泊肅葉層流。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種復合材料液壓滲透載荷下界面失效與細觀裂紋擴展預測方法，該方法通過相場法模型與內(nèi)聚力界面模型、Biot孔隙彈性介質(zhì)理論，實現(xiàn)復合材料的裂紋生長模擬預測。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種復合材料液壓滲透載荷下界面失效與細觀裂紋擴展預測方法，該方法在使用斷裂相場和界面相場表示模型的斷裂狀態(tài)和界面分布；在模擬預測過程中將相場法與Biot孔隙彈性介質(zhì)理論相結合，計算液壓載荷下模型的位移場和液體壓強場分布，并計算位移場對斷裂相場的影響，從而實現(xiàn)復合材料受液壓載荷時細觀尺度下裂紋生長的模擬。

本發(fā)明的進一步改進在于：在模擬預測過程的開始階段對模型進行前處理，前處理的過程包括確定模型的幾何參數(shù)和力學性能參數(shù)。

本發(fā)明的進一步改進在于：

所述幾何參數(shù)包括模型整體的長度、高度以及纖維的位置和直徑；

所述力學性能參數(shù)包括基質(zhì)的彈性模量，泊松比，臨界應力，Biot模量，Biot系數(shù)，滲透系數(shù)，增強材料的彈性模量，泊松比，臨界應力，Biot模量，Biot系數(shù)，以及界面的法向斷裂能與切向斷裂能；液體的粘性。