[发明专利]一种用于模拟复合材料破坏的格构相场方法

权利要求书

1.一种用于模拟复合材料破坏的格构相场方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.通过CT扫描成像技术，对复合材料试件的内部结构进行扫描，获得能够表现复合材料各组分分布情况的灰度图像；

步骤S2.对灰度图像进行识别和处理，并根据灰度值对复合材料的组分分布进行重构，获得各组成材料的真实分布数据；

步骤S3.根据图像重构得到的数据，将空间连续的试件采用非连续的格构单元结构进行离散；

步骤S4.建立材料属性参数等效方法，消除采用非连续的格构单元结构离散所带来的误差；

步骤S5.建立适用于格构相场模型的控制方程，控制方程形式如下：

其中：第一个公式为控制方程中的弹性方程，第二个公式为控制方程中的裂纹演化方程，Ω表示弹性体的求解域，为Ω的边界，σ为应力张量，u为位移向量，δ为变分符号，δu即表示虚位移，为微分符号，s∈[0,1]为相场变量，相场变量的值可以表现材料的破坏程度s＝0代表材料完好无损，s＝1代表材料完全破坏，和分别为体力和力边界条件，q和Q分别为裂纹演化方程的扩散项和源项，位移向量u和相场变量s即为计算过程中的待求解未知量，位移向量u表征物体变形，相场变量s表征物体破坏程度；

步骤S6.对三维格构模型赋予等效后的材料参数与边界条件，该方法需要的复合材料各组分材料参数有：(1)弹性模量，(2)泊松比，(3)密度，(4)单轴抗拉强度，(5)能量释放率；

步骤S7.采用适用于格构相场方法的高效迭代算法求解控制方程得到位移场场和相场分布，当求得的结果满足设定的收敛条件，则认定该次求解是精确的，开始进行下一荷载步的计算；

步骤S8.根据相场值判断试样的损伤程度，如某位置的相场值达到1，则认定此位移已经发生断裂破坏；

步骤S9.直至施加的边界条件已经全部加载完毕，或者材料发生整体断裂失去承受荷载的能力，计算结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟复合材料破坏的格构相场方法，其特征性在于：所述步骤S2中获得各组成材料的真实分布数据包括砂石、水泥砂浆、界面过渡区以及孔洞的分布位置和形状轮廓。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟复合材料破坏的格构相场方法，其特征性在于：所述步骤S3中采用一维桁架单元组成体心格构模块，并以体心格构模块作为基本离散单位建立三维离散体系，进而对连续体进行离散，一个体心格构模块由9个节点和20个桁架单元组成，体心格构模块中的桁架单元可以根据长度分为两类，我们称其为横向单元和斜向单元，它们的长度计算方法为：

其中：L为体心格构模块的边长，L_l和L_d分别为横向单元和斜向单元的长度。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟复合材料破坏的格构相场方法，其特征性在于：所述步骤S4中需要进行等效的参数包括桁架单元的横截面积、材料的密度以及材料的能量释放率，其计算方法分别为：

φ＝(9+8ζ)/(18+24ζ) (6)

ζ＝9ν/(4-8ν) (7)

其中:A_l和A_d分别为横向单元和斜向单元的等效横截面积，ρ_l和ρ_d分别为横向单元和斜向单元的等效密度，ρ为等效前的密度，G_l和G_d分别为横向单元和斜向单元的等效能量释放率，G_l和G_d的值相等并可用表达符号G_eq代替，G_c为等效前而能量释放率，ν为泊松比，φ、ζ及c_A为过渡变量，用来导出泊松比和各等效参数之间的关系，没有实际物理意义。