[发明专利]GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法

说明书

本发明涉及一种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。

技术领域

本发明涉及材料分析领域，具体涉及一种GFRP锚杆拉伸过程细观力学分析方法。

背景技术

对于玻璃纤维增强树脂复合材料Glass Fiber Reinforced Polymer Composite，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种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。

本发明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，并采用如下命令流来定义纤维材料属性和失效 应变：

MP，DENS，1，2400