一种预报复合材料基体开裂的失效判据制造技术

一种预报复合材料基体开裂的失效判据，该方法有四大步骤：步骤一、确定复杂应力状态下复合材料基体主要失效模式；步骤二、计算基体开裂前储存的弹性应变能；步骤三、计算基体开裂时释放的弹性应变能；步骤四、建立基体开裂的失效判据；本发明专利技术特点是提出了一种预报复合材料基体开裂的失效判据，可避免裂纹尖端应力场奇异问题，更好地描述复合材料基体开裂部位受力的强弱程度，具有使用简单、方便，效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术给出了一种预报复合材料基体开裂的失效判据，属于复合材料设计领域。
技术介绍
在纤维增强复合材料层合板的使用过程中，基体开裂是起始最早、最常发生的一类失效模式。尤其是对于具有90°叠层的层板复合材料，90°层中基体是主要的载荷承担者，在外部载荷远小于其极限载荷时，由于基体断裂应变小于纤维的断裂应变，基体横向层将首先垂直于拉伸载荷方向发生开裂。由于复合材料基体开裂尖端存在应力场奇异问题，传统的局部应力/应变方法难以表征复合材料基体开裂部位受力的大小，而能量判据则可避免裂纹尖端的应力场奇异问题，更好地描述复合材料基体开裂部位受力的强弱程度。因此，本专利技术提出了一种预报复合材料基体开裂的失效判据，为复合材料结构的损伤容限设计提供技术支持。
技术实现思路
本专利技术提出了一种预报复合材料基体开裂的判据，为复合材料的损伤容限设计提供技术支持。本专利技术的技术方案如下：步骤一、确定复杂应力状态下复合材料基体主要失效模式复杂应力状态下，复合材料基体的主要失效模式为相邻纤维间的基体开裂。在横向拉/压力以及剪切力作用下，单层板相邻纤维之间的树脂基体可能发生的失效模式包括横向拉伸/压缩开裂和面内/面外剪切开裂(如图1所示)。步骤二、计算基体开裂前储存的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，开裂前基体储存的弹性应变能密度分别为 u 22 = σ 22 2 2 E 22 u 12 = τ 12 2 2 G 12 u 23 = τ 23 2 2 G 23 - - - ( 1 ) ]]>其中，下标1、2分别代表复合材料的纵向和横向，3代表复合材料的厚度方向。u22代表基体开裂前的横向拉压弹性应变能密度，u12代表基体开裂前的面内剪切弹性应变能密度，u23代表基体开裂前的面外剪切弹性应变能密度。E22代表基体的横向拉伸和压缩模量，G12代表基体的面内剪切模量，G23代表基体的面外剪切模量。σ22代表基体的横向正应力，τ12和τ23分别代表基体的面内和面外切应力。步骤三、计算基体开裂时释放的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，基体发生开裂失效时释放的弹性应变能密度分别为 u 22 , c r = Y 2 2 E 22 u 12 , c r = S 12 2 2 G 12 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预报复合材料基体开裂的失效判据，该判据的具体步骤如下：步骤一、确定复杂应力状态下复合材料基体主要失效模式复杂应力状态下，复合材料基体的主要失效模式为相邻纤维间的基体开裂。在横向拉/压力以及剪切力作用下，单层板相邻纤维之间的树脂基体可能发生的失效模式包括横向拉伸/压缩开裂和面内/面外剪切开裂。步骤二、计算基体开裂前储存的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，开裂前基体储存的弹性应变能密度分别为u22=σ2222E22u12=τ1222G12u23=τ2322G23---(1)]]>其中，下标1、2分别代表复合材料的纵向和横向，3代表复合材料的厚度方向。u22代表基体开裂前的横向拉压弹性应变能密度，u12代表基体开裂前的面内剪切弹性应变能密度，u23代表基体开裂前的面外剪切弹性应变能密度。E22代表基体的横向拉伸和压缩模量，G12代表基体的面内剪切模量，G23代表基体的面外剪切模量。σ22代表基体的横向正应力，τ12和τ23分别代表基体的面内和面外切应力。步骤三、计算基体开裂时释放的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，基体发生开裂失效时释放的弹性应变能密度分别为u22,cr=Y22E22u12,cr=S1222G12u23,cr=S2322G23---(2)]]>其中，u22,cr代表基体开裂时释放的临界横向拉压弹性应变能密度，u12,cr代表基体开裂时释放的临界面内剪切弹性应变能密度，u23,cr代表基体开裂时释放的临界面外剪切弹性应变能密度。Y代表基体的横向拉伸和压缩强度，S12和S23代表基体的面内和面外剪切强度。步骤四、建立基体开裂的失效判据定义f22、f12和f23分别为基体横向拉/压失效、面内剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指数，其表达式可写为f22=u22/u22,cr=(σ22Y)2f12=u12/u12,cr=(τ12S12)2f23=u23/u23,cr=(τ23S23)2---(3)]]>将横向拉压失效、面内剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指数相加，得到基体开裂总失效指数，即F=f22+f12+f23=(σ22Y)2+(τ12S12)2+(τ23S23)2---(4)]]>基体开裂的失效判据可写为F≥1。功能特征：避免复合材料基体裂纹尖端的应力场奇异问题，能更好地描述复合材料基体开裂部位受力的强弱程度，具有使用简单、方便，效率高的优点。...

【技术特征摘要】
1.一种预报复合材料基体开裂的失效判据，该判据的具体步骤如下：步骤一、确定复杂应力状态下复合材料基体主要失效模式复杂应力状态下，复合材料基体的主要失效模式为相邻纤维间的基体开裂。在横向拉/压力以及剪切力作用下，单层板相邻纤维之间的树脂基体可能发生的失效模式包括横向拉伸/压缩开裂和面内/面外剪切开裂。步骤二、计算基体开裂前储存的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，开裂前基体储存的弹性应变能密度分别为 u 22 = σ 22 2 2 E 22 u 12 = τ 12 2 2 G 12 u 23 = τ 23 2 2 G 23 - - - ( 1 ) ]]>其中，下标1、2分别代表复合材料的纵向和横向，3代表复合材料的厚度方向。u22代表基体开裂前的横向拉压弹性应变能密度，u12代表基体开裂前的面内剪切弹性应变能密度，u23代表基体开裂前的面外剪切弹性应变能密度。E22代表基体的横向拉伸和压缩模量，G12代表基体的面内剪切模量，G23代表基体的面外剪切模量。σ22代表基体的横向正应力，τ12和τ23分别代表基体的面内和面外切应力。步骤三、计算基体开裂时释放的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，基体发生开裂失效时释放的弹性应变能密度分别为 u 22 , c r = Y 2 2 E 22 u 12 , c r = S 12 2 2 G 12 u 23 , c r = S 23 2 2 G 23 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊峻江，杜屹森，朱云涛，云新尧，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11