[發(fā)明專利]一種考慮應力比和纖維橋接影響的復合材料層板疲勞分層擴展行為預測方法

有效

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• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112733324B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發(fā)明（設計）人: 龔愉;張寒松;姚建堯;劉浩;張建宇
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/26;G06F119/14;G06F119/02
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本發(fā)明公開了一種考慮應力比和纖維橋接影響的復合材料層板疲勞分層擴展行為預測方法，包括以下步驟：(1)開展不同應力比和不同纖維橋接作用下的復合材料層板I型疲勞分層試驗；(2)利用柔度法確定疲勞分層阻力Gsubgt;cf/subgt;(a)；(3)計算分層擴展驅(qū)動力ΔGsubgt;eq/subgt;，將疲勞分層擴展驅(qū)動力與阻力的比值作為疲勞分層擴展行為的控制參量；(4)建立采用ΔGsubgt;eq/subgt;/Gsubgt;cf/subgt;(a)作為控制參量的疲勞分層模型，采用該模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，獲得模型參數(shù)C和m和γ；(5)采用參數(shù)確定的疲勞分層模型預測疲勞分層擴展速率。本發(fā)明利用通過有限試驗數(shù)據(jù)建立的復合材料疲勞分層模型預測其它應力比和纖維橋接作用下的疲勞分層擴展速率，可顯著縮短試驗周期，降低試驗費用。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及復合材料層板疲勞分層擴展速率預測領域，具體涉及一種考慮應力比和纖維橋接影響的復合材料層板疲勞分層擴展行為預測方法。

背景技術(shù)

復合材料是人們運用先進的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。復合材料具有比強度高、比剛度大、耐腐蝕及抗疲勞性能優(yōu)異等特點，被廣泛應用于航空航天領域內(nèi)。復合材料層合板由于在厚度方向上沒有增強，層間性能遠低于面內(nèi)性能。同時由于鋪層間熱膨脹系數(shù)的各向異性及泊松比的不匹配，在結(jié)構(gòu)的變厚度區(qū)域、自由邊和孔邊等幾何不連續(xù)處會產(chǎn)生高層間應力集中區(qū)。這種較弱的層間性能承受高的層間應力會導致復合材料層板在服役過程中極易出現(xiàn)分層損傷。分層是復合材料結(jié)構(gòu)中最主要和最為常見的破壞形式之一。復合材料結(jié)構(gòu)力學性能對分層的敏感性是許多先進復合材料結(jié)構(gòu)設計時的主要關(guān)注點之一。

除了主要的分層失效外，復合材料層板結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下還將產(chǎn)生基體開裂和纖維撥出與斷裂等失效行為。如此復雜的失效形式和損傷擴展到不規(guī)律性給疲勞分層的研究帶來了極大的困難。因此，以往的復合材料設計通常基于損傷無擴展和靜力覆蓋疲勞概念。但是這種概念導致結(jié)構(gòu)設計上的保守，無法充分發(fā)揮先進復合材料在減重上的潛能。因此，損傷擴展的概念被逐漸用于復合材料的設計，這就需要設計師深入掌握復合材料的失效機理并建立有效的預測模型。

研究者針對復合材料疲勞分層擴展行為開展了大量研究，并提出了基于斷裂力學的各種方法來表征疲勞分層擴展行為。其中Paris模型及其變化形式被成功運用于不同情況下的疲勞分層行為表征，但是這種模型中的指數(shù)參數(shù)較大，施加載荷的微小變化將造成所預測疲勞分層擴展速率的較大變化。因此，不適用于實際復合材料結(jié)構(gòu)的設計中。為降低Paris模型中指數(shù)的大小，研究者提出了歸一化的疲勞分層模型，但是這種歸一化方法的內(nèi)在機理尚不清楚，造成了現(xiàn)有疲勞分層模型在運用時的局限性。此外，纖維橋接是復合材料層板分層擴展中的重要現(xiàn)象，與應力比一起，都是分層擴展行為的重要影響因素。需要建立一種新的疲勞分層模型來考慮應力比和纖維橋接的影響，預測其他應力比和不同纖維橋接作用下的疲勞分層擴展速率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種考慮應力比和纖維橋接影響的復合材料層板疲勞分層擴展行為預測方法。提出的新型疲勞分層模型能夠有效地考慮應力比和纖維橋接的影響。利用不同應力比和特定纖維橋接作用下的有限試驗數(shù)據(jù)可以確定疲勞分層模型中的關(guān)鍵參數(shù)，可預測其它應力比和纖維橋接作用程度下的疲勞分層擴展速率，因此可以顯著縮短試驗周期，降低試驗費用。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種考慮應力比和纖維橋接影響的復合材料層板疲勞分層擴展行為預測方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)ASTM標準D5528-13對復合材料層板進行拉伸載荷下的靜力和疲勞分層擴展試驗，分別獲得靜力層間斷裂韌性、不同應力比和不同纖維橋接作用下的疲勞分層擴展試驗數(shù)據(jù)；

步驟2，利用柔度法確定疲勞分層阻力G_cf(a)；

步驟3，計算分層擴展驅(qū)動力ΔG_eq，將擴展驅(qū)動力與疲勞分層阻力的比值作為疲勞分層擴展行為的控制參量；