GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法技术

本发明专利技术涉及一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法，通过有限元模型的建立；数值计算结果及分析；考虑GFRP锚杆的细观损伤累积过程中，多种细观破坏模式所产生的复杂的相互作用，以及界面作为复合材料所特有的重要组成部分，对于损伤演化的作用，以及加载过程中缺陷的演变，完成GFRP锚杆拉伸过程中的裂纹扩展和纤维受力的细观力学理论分析。得出弱界面时和强界面时，裂纹在界面和基体上的扩展情况，应力集中情况，以及界面脱粘情况，已断纤维和邻近纤维的应力集中情况，应力恢复情况等。精确取得GFRP锚杆拉伸过程中裂纹扩展的各项有效数值，获得GFRP锚杆拉伸过程中裂纹扩展和纤维受力规律。

Mesomechanics Analysis Method of GFRP Bolt Tensile Process

The present invention relates to a micro-mechanics analysis method for tensile process of GFRP bolt, which is established by finite element model; numerical calculation results and analysis; considering the complex interaction of various micro-damage modes in the process of micro-damage accumulation of GFRP bolt, and the interface as an important component of composite material. For damage evolution and defect evolution during loading, the microcosmic mechanics theory analysis of crack propagation and fiber stress during tension of GFRP bolt is completed. When the interface is weak and strong, the propagation of cracks on the interface and matrix, stress concentration, interfacial debonding, stress concentration of broken fibers and adjacent fibers, and stress recovery are obtained. The effective values of crack growth during tension of GFRP bolt are obtained accurately, and the laws of crack growth and fiber stress during tension of GFRP bolt are obtained.

【技术实现步骤摘要】
GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法
本专利技术涉及材料分析领域，具体涉及一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法。
技术介绍
对于玻璃纤维增强树脂复合材料GlassFiberReinforcedPolymerComposite，简称GFRP的理论研究，目前有两个重要的进展获得业界关注和普遍认可，一是细观力学的应用和发展，二是界面相结构的提出和性能研究。GFRP的细观力学是根据各相材料的物理性能及其相互作用，从理论上建立并推导能够表征GFRP复合材料整体基本物理性能参数的方法和表达式。对于GFRP而言，是把纤维和基体作为基本单元，并把它们分别看成是性质不同的均匀材料，根据纤维排布方式和体积分数、纤维和基体各自的力学性能以及两者之间的相互作用(界面的作用)等条件，来分析复合材料的细观应力场、应变场，并预测复合材料的宏观有效性能。GFRP锚杆在拉伸过程中的破坏形式主要有以下三种：纤维断裂、纤维和基体之间的界面破坏以及垂直于纤维轴向的基体开裂。针对存在上述三种破坏形式的细观力学模型，大部分的文献的研究工作都局限在静态单一缺陷的情况，而忽略了加载过程中缺陷的演变。事实证明，在GFRP锚杆的细观损伤累积过程中，多种细观破坏模式会产生复杂的相互作用，有时还会相互转化。而且，界面作为复合材料所特有的重要组成部分，对于损伤的演化有着非同寻常的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法，在对GFRP锚杆拉伸过程进行细观力学数值计算的基础上，研究和分析了裂纹扩展和纤维受力规律。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法，包括以下步骤：步骤1)有限元模型的建立步骤1.1)几何模型建立，GFRP锚杆中，纤维相是等向长纤维，与杆体等长，且垂直于锚杆横截面，均匀分布在整个锚杆杆体中；树脂基体为不饱和聚酯树脂；选取合适体积尺寸，树脂基体中等间距地埋入多根单数量的高强玻璃纤维，纤维的直径与间距均相同；预设中间一根玻璃纤维在中间位置断裂,建立有限元模型；步骤1.2)设置材料属性，纤维和基体的弹性模量和泊松比都不随温度的改变而改变，假定基体材料是均匀的，纤维也是均匀的，不考虑材料的非均匀性对裂纹扩展的影响；步骤1.3)定义边界条件和载荷，只考虑单向拉伸，不考虑纤维的压缩和剪切破坏，模型在受载时不发生转动；设纤维的轴向向右为x轴的正方向，垂直于纤维轴向向下为y轴的正方向；模型左端固定，在右端施加平行于纤维轴向的载荷进行拉伸；假定纤维和基体的结合良好，纤维和基体成为一个整体，在右端面纤维和基体的位移大小和方向相同；步骤1.4)单元选择和网格划分，选用支持显式动力学分析所有非线性特性的显式结构薄壳Shell163单元，并选用该结构最快的Belytschko-Tsay算法，选映射网格，减少单元总数，提高计算效率；步骤1.5)材料模型，采用双线性随动材料模型BKIN，根据其提供的弹性模型、密度、泊松比、屈服应力和切线模量参数进行设置，并采用如下命令流来定义纤维材料属性和失效应变：MP，DENS，1，2400MP，EX，1，72e9MP，NUXY，1，0.3TB，PLAW，1，，，1，TBDAT，1，1.6e9TBDAT，2，1TBDAT，6，0.002；步骤1.6)设定失效准则和模拟流程，设置界面节点的有效塑性失效应变为纤维的1％时为弱界面，界面节点的有效塑性失效应变为纤维的40％时为强界面；采用最大应变失效准则，即满足下面任何一个不等式，就认为材料发生破坏：ε11<εxT，ε22<εyT，γ12<γs，式中，εxT为纤维轴向最大拉伸正应变；εyT垂直于纤维轴向的拉伸正应变；γS为平面内的最大剪应变；步骤2)数值计算结果及分析步骤2.1)裂纹扩展分析，在弱界面情况下，纤维断裂处产生的裂纹沿界面进行扩展但未向基体中进行扩展，已断纤维明显被拉脱，裂纹沿着纤维和基体的界面进行扩展，完好纤维上的等效正应力比已断纤维上的等效正应力大一个数量级，也比基体上的等效正应力大一个数量级，因此，完好纤维承担了主要的拉伸载荷；已断纤维邻近的基体上，在裂纹尖端附近产生应力集中，且应力集中的程度随着远离裂纹尖端而减小；在次邻近及其以外的基体上由于完好纤维承担了主要载荷，基体上的应力不大，没有产生应力集中；在强界面情况下，纤维断裂处产生的裂纹穿过纤维和基体之间的界面向基体中进行扩展，已断纤维邻近纤维上有小区域的应力集中，但应力集中程度较大，且出现在裂纹尖端的附近；已断纤维邻近及次临近的基体上，在裂纹尖端附近都产生了应力集中，但应力集中的程度随着远离裂纹而减小；由于强界面下，应力可以在一定程度上被纵向传递，在次邻近以外的基体上没有产生应力集中；步骤2.2)已断纤维的受力对比分析，由于界面结构的作用，无论在强、弱界面情况下，裂纹扩展后，已断纤维并非完全失去承载作用，已断纤维上从远离断点的一定位置，应力逐步恢复并达到一个稳定载荷；在强界面情况下，已断纤维的应力很快得到恢复，并达到一个较大的值；在弱界面情况下，已断纤维的应力要经过一段较长的距离才能得到恢复，并且恢复后应力的值远小于邻近纤维的应力值，因为强界面具有较好的束缚应力集中面积的作用，纤维在强界面情况下应力恢复的能力要比弱界面情况下要强得多；已断纤维的等效正应力分布曲线分为线性恢复段、指数恢复段和常数稳定段，同时，在断点周围沿轴向范围内，随距离断裂纤维距离的增加，纤维上的应力都在逐步恢复，裂纹产生的扰动效应在减少；步骤2.3)邻近纤维的受力对比分析，由于应力集中的出现，无论在强、弱界面情况下，邻近纤维沿其轴向，都从一个较高的应力集中值逐步恢复到一个稳定的载荷；在强界面情况下，邻近纤维的正应力经过一段很短的距离即可得到恢复，达到一个较大的值；在弱界面情况下，邻近纤维的正应力则要经过一段较长的距离才能得到恢复，并且恢复后应力的值远小于次邻近纤维的应力值，再次表明纤维在强界面下的应力恢复能力比弱界面下要强。本专利技术的有益效果是：考虑GFRP锚杆的细观损伤累积过程中，多种细观破坏模式所产生的复杂的相互作用，以及界面作为复合材料所特有的重要组成部分，对于损伤演化的作用，以及加载过程中缺陷的演变，通过ANSYS14.0LS-DYNA的二次开发平台，选用显式结构薄壳Shell163单元及Belytschko-Tsay算法，利用单元生死技术实现裂纹生成和扩展的数值计算研究，完成GFRP锚杆拉伸过程中的裂纹扩展和纤维受力的细观力学理论分析。得出弱界面时和强界面时，裂纹在界面和基体上的扩展情况，应力集中情况，以及界面脱粘情况，已断纤维和邻近纤维的应力集中情况，应力恢复情况等。精确取得GFRP锚杆拉伸过程中裂纹扩展的各项有效数值，发现GFRP锚杆拉伸过程中裂纹扩展和纤维受力规律。附图说明图1为本专利技术的有限元模型图。图2为本专利技术网格划分结构示意图。图3为本专利技术的模拟流程图。图4弱界面下拉伸应变为1.4％时材料中的应力分布图。图5为强界面下拉伸应变为1.4％时材料中的应力分布图。图6拉伸应变为1.4％时已断纤维沿其轴向的应力分布。图7拉伸应变为1.4％时邻近纤维沿其轴向的应力分布。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1)有限元模型的建立步骤1.1)几何模型建立，GFRP锚杆中，纤维相等向长纤维，与杆体等长，且垂直于锚杆横截面，均匀分布在整个锚杆杆体中；树脂基体为不饱和聚酯树脂；选取合适体积尺寸，树脂基体中等间距地埋入多根单数量的高强玻璃纤维，纤维的直径与间距均相同；预设中间一根玻璃纤维在中间位置断裂，建立有限元模型；步骤1.2)设置材料属性，纤维和基体的弹性模量和泊松比都不随温度的改变而改变，假定基体材料是均匀的，纤维也是均匀的，不考虑材料的非均匀性对裂纹扩展的影响；步骤1.3)定义边界条件和载荷，只考虑单向拉伸，不考虑纤维的压缩和剪切破坏，模型在受载时不发生转动；设纤维的轴向向右为x轴的正方向，垂直于纤维轴向向下为y轴的正方向；模型左端固定，在右端施加平行于纤维轴向的载荷进行拉伸；假定纤维和基体的结合良好，纤维和基体成为一个整体，在右端面纤维和基体的位移大小和方向相同；步骤1.4)单元选择和网格划分，选用支持显式动力学分析所有非线性特性的显式结构薄壳Shell 163单元，并选用该结构最快的Belytschko‑Tsay算法，选映射网格，减少单元总数，提高计算效率；步骤1.5)材料模型，采用双线性随动材料模型BKIN，根据其提供的弹性模型、密度、泊松比、屈服应力和切线模量参数进行设置，定义纤维材料属性和失效应变；步骤1.6)设定失效准则和模拟流程，设置界面节点的有效塑性失效应变为纤维的1％时为弱界面，界面节点的有效塑性失效应变为纤维的40％时为强界面；采用最大应变失效准则；步骤2)数值计算结果及分析步骤2.1)裂纹扩展分析，在弱界面情况下，纤维断裂处产生的裂纹沿界面进行扩展但未向基体中进行扩展，已断纤维明显被拉脱，裂纹沿着纤维和基体的界面进行扩展，完好纤维上的等效正应力比已断纤维上的等效正应力大一个数量级，也比基体上的等效正应力大一个数量级，因此，完好纤维承担了主要的拉伸载荷；已断纤维邻近的基体上，在裂纹尖端附近产生应力集中，且应力集中的程度随着远离裂纹尖端而减小；在次邻近及其以外的基体上由于完好纤维承担了主要载荷，基体上的应力不大，没有产生应力集中；在强界面情况下，纤维断裂处产生的裂纹穿过纤维和基体之间的界面向基体中进行扩展，已断纤维邻近纤维上有小区域的应力集中，但应力集中程度较大，且出现在裂纹尖端的附近；已断纤维邻近及次临近的基体上，在裂纹尖端附近都产生了应力集中，但应力集中的程度随着远离裂纹而减小；由于强界面下，应力可以在一定程度上被纵向传递，在次邻近以外的基体上没有产生应力集中；步骤2.2)已断纤维的受力对比分析，已断纤维上从远离断点的一定位置，应力逐步恢复并达到一个稳定载荷；在强界面情况下，已断纤维的应力很快得到恢复，并达到一个较大的值；在弱界面情况下，已断纤维的应力要经过一段较长的距离才能得到恢复，并且恢复后应力的值远小于邻近纤维的应力值，因为强界面具有较好的束缚应力集中面积的作用，纤维在强界面情况下应力恢复的能力要比弱界面情况下强；已断纤维的等效正应力分布曲线分为线性恢复段、指数恢复段和常数稳定段；同时，在断点周围沿轴向范围内，随距离断裂纤维距离的增加，纤维上的应力都在逐步恢复，裂纹产生的扰动效应在减少；步骤2.3)邻近纤维的受力对比分析，由于应力集中的出现，无论在强、弱界面情况下，邻近纤维沿其轴向，都从一个较高的应力集中值逐步恢复到一个稳定的载荷；在强界面情况下，邻近纤维的正应力经过一段很短的距离即可得到恢复，达到一个较大的值；在弱界面情况下，邻近纤维的正应力则要经过一段较长的距离才能得到恢复，并且恢复后应力的值远小于次邻近纤维的应力值，再次表明纤维在强界面下的应力恢复能力比弱界面下要强。...

【技术特征摘要】
1.一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1)有限元模型的建立步骤1.1)几何模型建立，GFRP锚杆中，纤维相等向长纤维，与杆体等长，且垂直于锚杆横截面，均匀分布在整个锚杆杆体中；树脂基体为不饱和聚酯树脂；选取合适体积尺寸，树脂基体中等间距地埋入多根单数量的高强玻璃纤维，纤维的直径与间距均相同；预设中间一根玻璃纤维在中间位置断裂，建立有限元模型；步骤1.2)设置材料属性，纤维和基体的弹性模量和泊松比都不随温度的改变而改变，假定基体材料是均匀的，纤维也是均匀的，不考虑材料的非均匀性对裂纹扩展的影响；步骤1.3)定义边界条件和载荷，只考虑单向拉伸，不考虑纤维的压缩和剪切破坏，模型在受载时不发生转动；设纤维的轴向向右为x轴的正方向，垂直于纤维轴向向下为y轴的正方向；模型左端固定，在右端施加平行于纤维轴向的载荷进行拉伸；假定纤维和基体的结合良好，纤维和基体成为一个整体，在右端面纤维和基体的位移大小和方向相同；步骤1.4)单元选择和网格划分，选用支持显式动力学分析所有非线性特性的显式结构薄壳Shell163单元，并选用该结构最快的Belytschko-Tsay算法，选映射网格，减少单元总数，提高计算效率；步骤1.5)材料模型，采用双线性随动材料模型BKIN，根据其提供的弹性模型、密度、泊松比、屈服应力和切线模量参数进行设置，定义纤维材料属性和失效应变；步骤1.6)设定失效准则和模拟流程，设置界面节点的有效塑性失效应变为纤维的1％时为弱界面，界面节点的有效塑性失效应变为纤维的40％时为强界面；采用最大应变失效准则；步骤2)数值计算结果及分析步骤2.1)裂纹扩展分析，在弱界面情况下，纤维断裂处产生的裂纹沿界面进行扩展但未向基体中进行扩展，已断纤维明显被拉脱，裂纹沿着纤维和基体的界面进行扩展，完好纤维上的等效正应力比已断纤维上的等效正应力大一个数量级，也比基体上的等效正应力大一个数量级，因此，完好纤维承担了主要的拉伸载荷；已断纤维邻近的基体上，在裂纹尖端附近产生应力集中，且应力集中的程度随着远离裂纹尖端而减小；在次邻近及其以外的基体上由于完好纤维承担了主要载荷，基体上的应力不大，没有产生应力集中；在强界面情况下，纤维断裂处产生的裂纹穿过纤维和基体之间的界面向基体中进行扩展，已断纤维邻近纤维上有小区域的应力集中，但应力集中程度较大，且出现在裂纹尖端的附近；已断纤维邻近及次临近的基体上，在裂纹尖端附近都产生了应力集中，但应力集中的程度随着远离裂纹而减小；由于强界面下，应力可以在一定程度上被纵向传递，在次邻近以外的基体上没有产生应力集中；步骤2.2)已断纤维的受力对比分析，已断纤维上从远离断点的一定位置，应力逐步恢复并达到一个稳定载荷；在强界面情况下，已断纤维的应力很快得到恢...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延庆，刘增光，吴北成，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32