本发明给出了一种预报复合材料基体开裂的失效判据，属于复合材料设计领域。
背景技术：
：在纤维增强复合材料层合板的使用过程中，基体开裂是起始最早、最常发生的一类失效模式。尤其是对于具有90°叠层的层板复合材料，90°层中基体是主要的载荷承担者，在外部载荷远小于其极限载荷时，由于基体断裂应变小于纤维的断裂应变，基体横向层将首先垂直于拉伸载荷方向发生开裂。由于复合材料基体开裂尖端存在应力场奇异问题，传统的局部应力/应变方法难以表征复合材料基体开裂部位受力的大小，而能量判据则可避免裂纹尖端的应力场奇异问题，更好地描述复合材料基体开裂部位受力的强弱程度。因此，本发明提出了一种预报复合材料基体开裂的失效判据，为复合材料结构的损伤容限设计提供技术支持。技术实现要素：本发明提出了一种预报复合材料基体开裂的判据，为复合材料的损伤容限设计提供技术支持。本发明的技术方案如下：步骤一、确定复杂应力状态下复合材料基体主要失效模式复杂应力状态下，复合材料基体的主要失效模式为相邻纤维间的基体开裂。在横向拉/压力以及剪切力作用下，单层板相邻纤维之间的树脂基体可能发生的失效模式包括横向拉伸/压缩开裂和面内/面外剪切开裂(如图1所示)。步骤二、计算基体开裂前储存的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，开裂前基体储存的弹性应变能密度分别为u22=σ2222E22u12=τ1222G12u23=τ2322G23---(1)]]>其中，下标1、2分别代表复合材料的纵向和横向，3代表复合材料的厚度方向。u22代表基体开裂前的横向拉压弹性应变能密度，u12代表基体开裂前的面内剪切弹性应变能密度，u23代表基体开裂前的面外剪切弹性应变能密度。E22代表基体的横向拉伸和压缩模量，G12代表基体的面内剪切模量，G23代表基体的面外剪切模量。σ22代表基体的横向正应力，τ12和τ23分别代表基体的面内和面外切应力。步骤三、计算基体开裂时释放的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，基体发生开裂失效时释放的弹性应变能密度分别为u22,cr=Y22E22u12,cr=S1222G12u23,cr=S2322G23---(2)]]>其中，u22,cr代表基体开裂时释放的临界横向拉压弹性应变能密度，u12,cr代表基体开裂时释放的临界面内剪切弹性应变能密度，u23,cr代表基体开裂时释放的临界面外剪切弹性应变能密度。Y代表基体的横向拉伸和压缩强度，S12和S23代表基体的面内和面外剪切强度。步骤四、建立基体开裂的失效判据定义f22、f12和f23分别为基体横向拉/压失效、面内剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指数，其表达式可写为f22=u22/u22,cr=(σ22Y)2f2=u12/u12,cr=(τ12S12)2f23=u23/u23,cr=(τ23S23)2---(3)]]>将横向拉压失效、面内剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指数相加，得到基体开裂总失效指数，即F=f22+f12+f23=(σ22Y)2+(τ12S12)2+(τ23S23)2---(4)]]>基体开裂的失效判据可写为F≥1。优点及功效：本发明提供的失效判据则可避免裂纹尖端的应力场奇异问题，更好地描述复合材料基体开裂部位受力的强弱程度，具有使用简单、方便，效率高的优点，能为复合材料结构的损伤容限设计提供技术支持。附图说明图1为基体的可能破坏模式示意图。图2为基体开裂失效判据发明方法流程图。图中符号说明如下：图1中的σ22为基体的横向正应力分量，τ12和τ23分别为基体的面内和面外切应力分量。具体实施方式图2为本发明所述方法的流程框图，本发明分四步实现，具体为：步骤一、确定复杂应力状态下复合材料基体主要失效模式复杂应力状态下，复合材料基体的主要失效模式为相邻纤维间的基体开裂。在横向拉/压力以及剪切力作用下，单层板相邻纤维之间的树脂基体可能发生的失效模式包括横向拉伸/压缩开裂和面内/面外剪切开裂(如图1所示)。步骤二、计算基体开裂前储存的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，开裂前基体储存的弹性应变能密度分别为u22=σ2222E22u12=τ1222G12u23=τ2322G23---(1)]]>其中，下标1、2分别代表复合材料的纵向和横向，3代表复合材料的厚度方向。u22代表基体开裂前的横向拉压弹性应变能密度，u12代表基体开裂前的面内剪切弹性应变能密度，u23代表基体开裂前的面外剪切弹性应变能密度。E22代表基体的横向拉伸和压缩模量，G12代表基体的面内剪切模量，G23代表基体的面外剪切模量。σ22代表基体的横向正应力，τ12和τ23分别代表基体的面内和面外切应力。步骤三、计算基体开裂时释放的弹性应变能在复杂应力状态(即σ22、τ12和τ23)下，基体发生开裂失效时释放的弹性应变能密度分别为u22,cr=Y22E22u12,cr=S1222G12u23,cr=S2322G23---(2)]]>其中，u22,cr代表基体开裂时释放的临界横向拉压弹性应变能密度，u12,cr代表基体开裂时释放的临界面内剪切弹性应变能密度，u23,cr代表基体开裂时释放的临界面外剪切弹性应变能密度。Y代表基体的横向拉伸和压缩强度，S12和S23代表基体的面内和面外剪切强度。步骤四、建立基体开裂的失效判据定义f22、f12和f23分别为基体横向拉/压失效、面内剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指数，其表达式可写为f22=u22/u22,cr=(σ22Y)2f2=u12/u12,cr=(τ12S12)2f23=u23/u23,cr=(τ23S23)2---(3)]]>将横向拉压失效、面内剪切失效以及面外剪切失效的能量失效指数相加，得到基体开裂总失效指数，即F=f22+f12+f23=(σ22Y)2+(τ12S12)2+(τ23S23)2---(4)]]>基体开裂的失效判据可写为F≥1。当前第1页1 2 3