[发明专利]一种适用于横观各向同性碳纤维的多模式失效判定方法

说明书

本发明属于断裂力学领域，公开了一种适用于横观各向同性碳纤维的多模式失效判定方法，包括如下步骤：(1)判断横观各向同性纤维的失效形式；(2)构造纤维剪断、弯断失效应力准则基本型；(3)判断失效面正应力的符号；(4)分别在纤维剪断和弯断失效状态下，考虑失效面正应力符号，求解基本型中的待定系数；(5)建立有限元模型验证模型的准确性。本发明的方法首次考虑了纤维轴/横向性能差异、以及失效面正应力符号对剪断、弯断失效应力状态的影响，从而可对碳纤维在各类加载过程中的失效作出准确判断。本发明所涉方法推导过程简单、便于生成程序代码，其应用有助于进一步提升复合材料构件设计性能的预测精度。

技术领域

本发明属于断裂力学领域，涉及一种适用于横观各向同性碳纤维的多模式失效判定方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(以下简称“复合材料”)轻质、高强，已成为航空航天、能源、交通等领域新一代高端装备减重增效的优选材料。与被广泛应用的轻质高性能合金相比，复合材料一大不可替代的优势在于其出色的可设计性。即可面向构件实际承载要求，通过合理设计铺层角度和顺序，大幅提高构件的结构效率，以达到精简构件结构、进一步减轻重量的目的。而为保证所做设计的合理性，往往需预先对所设计构件的承载性能做出精准预测。由于在复合材料构件中起主要承载作用的组分是碳纤维，准确判断碳纤维在承载过程中的失效，是确保整个构件承载性能预测结果可靠的关键所在。

目前，常用于判断纤维失效的方法包括最大应力准则和最大主应力准则。前者只考虑了各向正应力和剪应力对纤维失效的单独贡献，而忽略了正应力和剪应力耦合作用对纤维失效的影响，这已被Stephen Wu Tsai等1970年在Journal of Composite Materials期刊第5卷58-80页发表的题为《A general theory of strength for anisotropicmaterials》的论文中证明是不合理的；后者虽然通过求解主应力，考虑了正应力和剪应力的耦合作用，但未能在失效判定表达式中区分纤维剪断、弯断的失效模式，即仅凭借单一表达式描述不同的失效应力状态，亦无法给出可靠的纤维失效判定结果。针对这一问题，张博宇等2021年在Journal of Materials Processing Technology期刊第289卷发表的第116934号题为《Novel fiber fracture criteria for revealing forming mechanismsof burrs and cracking at hole-exit in drilling Carbon Fiber ReinforcedPlastic》的论文中提出了率及纤维剪断、弯断失效状态的应力准则，并通过复合材料细观切削仿真验证，发现该方法相比于最大应力准则和最大主应力准则能够更准确地判定纤维失效。然而，该方法的推导是基于纤维的各向同性假设，对于由沥青制成的一类具有横观各向同性的碳纤维而言则无法适用；此外，由于该方法未考虑纤维各失效模式中失效面正应力符号对失效状态的影响，其对纤维失效的判定精度仍存在较大的提升空间。综上，若能针对具有横观各向同性的碳纤维，发展出一种能够更精准地描述其剪断、弯断时应力状态的失效判定方法，将进一步完善纤维断裂理论，并能为提高复合材料构件设计性能的预测精度提供必要的基础。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种适用于横观各向同性碳纤维的多模式失效判定方法。该方法首先分别针对纤维剪断、弯断失效模式，构造考虑纤维横观各向同性的应力准则基本型；再针对每一类失效模式，判断失效面正应力的符号；再据此分别假设简单应力状态并求解基本型中的待定系数，从而构建出完整的纤维多模式失效判定方法。

本发明的技术方案：

1.一种适用于横观各向同性碳纤维的多模式失效判定方法，其特征在于，该多模式失效判定方法基于断裂面方向分类，并假设纤维是横观各向同性材料，2-3平面为各向同性平面；再依据断裂面正应力符号对纤维断裂的影响，分别确定待定系数；最后将各项系数代入方程，化简得到对应情况下的失效准则，选择该准则作为纤维失效的判断依据；具体步骤如下：