[发明专利]一种复合材料I型分层桥联法则确定方法

说明书

本发明涉及一种基于虚拟分层扩展试验的复合材料I型分层桥联法则确定方法，包括以下步骤：(1)开展I型分层试验，测得分层扩展R曲线；(2)建立I型分层试验件有限元模型，采用双线性内聚力单元模拟分层界面；(3)将R曲线嵌入有限元模型，开展I型分层模拟；(4)从数值模拟结果中调出一组一一对应的载荷P、位移d、分层长度a和分层起始位置处张开位移δ*的数据，计算断裂韧度G_Ic(a)；(5)利用G_Ic(a)和δ*的数据，确定广义裂纹面桥联应力随δ*变化的σ_g(δ*)，并拟合得到桥联法则具体形式。本发明适用于复合材料I型分层桥联法则的确定，相比于纯试验测试手段具有显著优势，可方便实现张开位移与断裂韧度数据的对应，简化试验操作，并降低试验测试误差。

技术领域

本发明涉及复合材料I型分层扩展过程中桥联法则的确定的技术领域，具体涉及一种基于虚拟分层扩展试验的复合材料I型分层桥联法则确定方法，适用于飞行器结构中广泛使用的碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构。

背景技术

在发生大范围纤维桥联的分层扩展过程中断裂韧性R曲线取决于试验件的几何尺寸，此时R曲线不能被继续当做反映材料内在属性的参量，取而代之的是桥联法则，因为研究表明桥联法则与试验件的几何尺寸无关。此外，在测得分层扩展过程中桥联准则的基础上，利用纤维桥联影响下R曲线的理论公式，或采用基于三线性本构的内聚力单元进行分层扩展的数值模拟，就能预测任意几何尺寸试验件的R曲线，因此桥联法则的确定一直是复合材料分层行为研究中的一个重要方面。

根据现有研究确定桥联法则的方法有以下五类：(1)基于微观分层阻力机制和相应的力学假设，提出包含不同微观增韧机制的桥联法则力学模型。(2)采用裂纹已经贯穿整个试验件，但试验件上、下两臂仍被裂纹面间桥联的纤维粘联在一起的试验件，进行横向加载，直接测量裂纹面张开位移和纤维桥联应力之间的关系。(3)根据试验测得的裂纹面张开位移与一个裂纹面上作用着桥联应力的力学模型，然后基于断裂力学原理确定桥联法则。(4)基于试验测量的断裂韧性数据反推桥联法则。(5)采用光纤光栅传感(FBG)测量应变，结合具有特定参数化桥联应力分布的有限元模型，通过迭代求解，获得了上述层合板I型分层的桥联法则。

纵观上述5种确定桥联法则的方法，第一种基于力学理论的桥联法则确定方法无法全面涵盖纤维桥联过程中发生的纤维断裂、纤维基体界面分离、纤维抽丝等复杂的断裂行为，这限制了它的应用。第二种方法操作难度较大，而第三种方法需要不断调试力学模型中的桥联应力分布，实施难度也很大。第五种方法需要特殊制备的嵌入了光纤光栅传感(FBG)的试验件。相比而言第四种方法操作简单，可实施性强，因此被广泛采用。但是采用这种方法存在一个关键的技术难点，就是测量预埋分层末端的张开位移δ*。这个预埋分层末端张开位移δ*的测量需与试验中实时测量的载荷、位移、分层长度数据一一对应起来，为此可在试验中设置一个相机对预埋分层末端位置进行实时拍照，最后通过图像处理确定δ*的数据，但随着分层的扩展这个张开位移δ*会逐渐增大甚至超过相机能捕捉的范围，此后将无法获得δ*的数据，此外通过图像处理获得δ*的数值可能存在精度低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，改进现存的采用试验测得的断裂韧度数据反推桥联法则的方法，针对δ*数据测量难度大的问题，提出了一种基于虚拟分层扩展试验的复合材料I型分层桥联法则确定方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于虚拟分层扩展试验的复合材料I型分层桥联法则确定方法，包括以下步骤：

第一步，开展复合材料层板I型静力分层扩展试验，测得其分层扩展过程中的R曲线；

第二步，建立I型载荷作用下DCB试验件的三维有限元模型，采用双线性本构内聚力单元模拟分层界面；

第三步，将R曲线嵌入上述采用内聚力单元模拟分层界面的层合板DCB试验件的有限元模型，在软件的隐形分析模块，开展该DCB试验件的I型分层扩展模拟；