一种表征复合材料本构曲线的获取方法技术

本发明专利技术公开了一种表征复合材料本构曲线的获取方法，属于复合材料力学性能研究技术领域。本发明专利技术包括以下步骤：1.完成大量复合材料力学性能试验，获得大量应力‑应变曲线；2.将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；3.根据试验测得的应力‑应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型中的参数值；4.采用参数平均的方法，获得复合材料本构模型的表征参数，将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。本发明专利技术能够较为准确地获得表征复合材料本构曲线，为复合材料的性能分析以及复合材料结构的高保真仿真计算奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种表征复合材料本构曲线的获取方法
本专利技术属于复合材料力学性能研究
，具体涉及一种表征复合材料本构曲线的获取方法。
技术介绍
由于制造工艺的差异性、组分材料性能的随机性以及内部缺陷的不确定性，使得复合材料力学性能具有一定的离散性。复合材料本构是其最为关键的力学性能之一，本构的离散性极大地限制了复合材料性能分析以及复合材料结构的仿真计算，因此，必须找到一种能够表征复合材料本构曲线的方法。目前工程上较为常用的有两种方法。方法一：根据经验从多条试验曲线中挑选具有代表性的应力-应变曲线作为表征复合材料本构曲线。该方法较大地依赖于个人的认知水平，不同人挑选的结果具有一定的差异性，该方法不能获得广泛的认可。方法二：将多条试验曲线在相同应变处取应力平均的方法，该方法广泛应用于工程及科学研究中(LaiY,LiS,QiJ,etal.Strengthdistributionsofwarmfrozenclayanditsstochasticdamageconstitutivemodel[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2008,53(2):200-215.)，然而该方法仅适用于没有阶段性突变的应力-应变曲线。对于大多数复合材料，在失效后会由损伤阶段转变为退化阶段，其应力-应变曲线会出现陡然下降，采用多条试验曲线在相同应变处取应力平均的方法将不能获得准确的表征复合材料本构曲线。图1所示为一种复合材料压缩试验测得的多条应力-应变曲线采用方法二获得的表征复合材料本构曲线，该曲线显示材料在失效后有较多阶梯状退化过程，然而在试验应力-应变曲线中并不具有该特征。因此，该方法不能用于获得表征复合材料本构曲线。所以目前科学研究及工程应用中急需一种表征复合材料本构曲线的获取方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种表征复合材料本构曲线的获取方法，优点在于采用该方法获得的复合材料本构曲线能够准确地表征复合材料的本构关系，为复合材料的性能分析以及复合材料结构的高保真仿真计算奠定基础。为达到上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种表征复合材料本构曲线的获取方法，包括：完成大量复合材料力学性能试验，获取试验应力-应变曲线；将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；其中，在复合材料失效前的损伤阶段，采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在复合材料失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；根据所述试验应力-应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型的参数值；采用参数平均的方法获得复合材料本构模型的表征参数，再将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。进一步的，所述力学性能试验指的是拉伸、压缩或剪切试验，在同一加载工况下的有效试验次数至少5次。进一步的，所述待拟合复合材料本构模型的最大应力和最大应力处的应变与力学性能试验测得数据一致，待拟合复合材料本构模型的最大应力处于失效前的损伤阶段，且最大应力点处的斜率为0，推导出的待拟合复合材料本构模型表示如下：式中：σ为应力；ε为应变；σmax和εσ_max分别为试验应力-应变曲线中的最大应力和对应的应变值；b为Weibull损伤模型中的形状因子；εf为失效应变；k为退化阶段的退化因子。进一步的，构建试验应力—应变曲线与待拟合复合材料本构模型的最小二乘目标函数，表示为：式中：n表示试验应力-应变曲线的数据点个数，和σ(j)分别表示第j个试验数据点的应力值和对应的待拟合复合材料本构模型的应力值；优化复合材料本构模型中的参数值b、k和εf，使得最小二乘目标函数最小，优化得到的参数值即为拟合得到的复合材料本构模型的参数值。进一步的，所述参数平均的方法指的是对于同一工况下的多条试验曲线拟合得到的参数值分别进行算数平均，获得的各个参数的平均值即为表征参数。有益效果与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术为准确获取表征复合材料本构曲线提供了一种方法，该方法充分考虑了复合材料的本构特征，将复合材料本构模型分为两个阶段进行表征，即失效前的损伤阶段采用Weibull损伤模型表征材料的损伤演化过程；在失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征材料的力学性能退化过程，其力学意义明确。本专利技术能够较为准确地获得表征复合材料本构曲线，为复合材料的性能分析以及复合材料结构的高保真仿真计算奠定基础。附图说明图1为传统方法获取得到的表征本构曲线；图2为本专利技术的总体流程图；图3为本专利技术专利获取得到的表征本构曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。实施例：一种表征复合材料本构曲线的获取方法，步骤如图2所示。步骤1：本专利技术完成了5次C/C复合材料准静态压缩试验，获得5条应力-应变曲线如图3所示。步骤2：在复合材料压缩失效前的损伤阶段采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在压缩失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；为了最大程度保证待拟合复合材料压缩本构模型能够包含试验压缩应力-应变曲线的最基本特征，要求，a.待拟合复合材料压缩本构模型的最大应力和最大应力处的应变应与试验测得数据一致，b.待拟合复合材料压缩本构模型的最大应力应处于失效前的损伤阶段，且该点斜率为0。最终推导出的待拟合复合材料压缩本构模型表示如下：式中：σ为应力；ε为应变；σmax和εσ_max分别为试验应力-应变曲线中的最大应力和对应的应变值，可从试验应力-应变曲线中直接读取；b为Weibull损伤模型中的形状因子；εf为失效应变；k为退化阶段的退化因子。步骤3：构建试验压缩应力应变曲线与待拟合复合材料压缩本构模型的最小二乘目标函数，表示为：式中：n表示试验压缩应力-应变曲线的数据点个数，和σ(j)分别表示第j个试验数据点的应力值和对应的待拟合复合材料压缩本构模型的应力值。通过数值计算软件Matlab优化复合材料压缩本构模型中的参数值b、k和εf，使得最小二乘目标函数最小，优化得到的参数值即为拟合得到的复合材料压缩本构模型的参数值。所得的参数如表1所示。表1.C/C复合材料压缩本构模型参数值步骤4：计算各个参数b、k、εf、σmax和εσ_max的算术平均值，即表征参数，计算结果如表1所示。将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料压缩本构模型：本专利技术获取得到的表征复合材料压缩本构曲线如图3所示。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，包括：/n完成大量复合材料力学性能试验，获取试验应力-应变曲线；/n将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；其中，在复合材料失效前的损伤阶段，采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在复合材料失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；/n根据所述试验应力-应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型的参数值；/n采用参数平均的方法获得复合材料本构模型的表征参数，再将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。/n

【技术特征摘要】
1.一种表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，包括：
完成大量复合材料力学性能试验，获取试验应力-应变曲线；
将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；其中，在复合材料失效前的损伤阶段，采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在复合材料失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；
根据所述试验应力-应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型的参数值；
采用参数平均的方法获得复合材料本构模型的表征参数，再将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。


2.根据权利要求1所述表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，所述力学性能试验指的是拉伸、压缩或剪切试验，在同一加载工况下的有效试验次数至少5次。


3.根据权利要求1所述表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，所述待拟合复合材料本构模型的最大应力和最大应力处的应变与力学性能试验测得数据一致，待拟合复合材料本构模型的最大应力处于失效前...

【专利技术属性】
技术研发人员：费庆国，郭飞，李彦斌，张培伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32