一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法

本发明涉及复合材料多尺度计算力学，尤其是涉及一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法。

背景技术：

1、复合材料（主要指纤维增强复合材料）因结构质量轻、可设计性强、力学性能好等无可比拟的优势，在航空航天、工业制造、医疗器械、运动设备和建筑结构等领域备受青睐，获得了广泛的应用。尽管如此，复合材料在使用中仍存在许多亟待解决的问题。由于碳纤维的各向异性、纤维和基体本构特征区别很大、纤维-基体界面初始缺陷及层间强度理论不够完备等因素，给复合材料的研究分析和设计生产带来了较大的挑战。目前，碳纤维增强相的研究已拓展到纳米尺度，如何通过微观和细观尺度上的组分本征性能预测复合材料宏观性能，是经典层合板理论和连续介质力学难以解决的问题。另一方面，当宏观结构受载时，其结构破坏往往由经典复合材料失效理论（如tsai-hill准则、tsai-wu准则）进行分析，但在宏观表现未出现损伤时其组分（纤维-基体界面）有可能已经出现损伤。这对研究一些结构如复合材料无内衬v型压力容器的安全性非常重要。随着计算机算力的不断发展，基于有限元方法的多尺度方法能够在复合材料力学领域能够较好地建立细观特性与宏观表现的联系，目前已成为复合材料领域力学性能评估的主要手段之一。

2、在多尺度方法中，描述复合材料微结构的代表性体积元（representative volumeelement， rve）是复合材料多尺度力学的一个关键模型。通过对施加周期性边界条件的rve进行加载，预测复合材料宏观工程弹性常数和强度，是目前复合材料多尺度计算的主要研究内容。在这一过程中，损伤和破坏总是从在纤维-基体界面区域起始，因此纤维-基体界面成为复合材料最薄弱的部位。然而，复合材料宏观结构破坏计算时主要采用经典复合材料失效理论（如tsai-hill准则、tsai-wu准则），这些宏观失效理论仅能表征纤维损伤和基体损伤，无法表征纤维-基体界面的损伤和破坏状态。因此，发展一种能够表征纤维-基体界面破坏的方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，为复合材料多尺度计算力学领域发展出一种宏观→细观精细化多尺度损伤表征方法，对基于细观尺度预测复合材料压力容器密封失效具有重要意义。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，包括以下步骤：

3、s1、选取复合材料宏观结构，确定纤维体积分数、材料工程弹性常数和各向强度；

4、s2、对步骤s1中的复合材料宏观结构施加载荷，确定薄弱区域，判断薄弱区域失效情况，通过查看失效单元积分点应变分量，提取复合材料宏观结构薄弱区域应变分量；

5、s3、在细观结构上，根据纤维随机分布rve生成算法，生成纤维体积分数为的纤维随机分布rve，并确定纤维本构及材料参数、基体本构及材料参数；

6、s4、对纤维随机分布rve施加周期性边界条件，确保细观结构应力和位移的连续性；

7、s5、将步骤s2提取的复合材料宏观结构薄弱区域应变分量施加至步骤s4中施加周期性边界条件的纤维随机分布rve，计算表征复合材料rve纤维-基体界面破坏情况。

8、优选的，步骤s1中，材料工程弹性常数包括弹性模量、剪切模量和泊松比；弹性模量包括1方向弹性模量，2方向弹性模量，3方向弹性模量；剪切模量包括1-2方向剪切模量，1-3方向剪切模量，2-3方向剪切模量；泊松比包括1-2方向泊松比，1-3方向泊松比，2-3方向泊松比；

9、各向强度包括拉伸强度、压缩强度和剪切强度；拉伸强度包括1方向拉伸强度，2方向拉伸强度；压缩强度包括1方向压缩强度，2方向压缩强度；剪切强度包括1-2方向剪切强度，1-3方向剪切强度和2-3方向剪切强度。

10、优选的，步骤s2中，通过最大应力准则、准则、准则判断薄弱区域失效情况，具体如下：

11、（1）

12、式（1）中，为单向板1方向拉伸/压缩强度，其中拉伸时为，压缩时为；为单向板2方向拉伸/压缩强度，拉伸时为，压缩时为；为1方向应力，为2方向应力，为1-2方向应力；为失效因子，，即复合材料失效；

13、准则计算公式如下：

14、   （2）

15、准则计算公式如下：

16、   （3）

17、式（3）中，系数定义如下：

18、   （4）。

19、优选的，步骤s3中，纤维本构为横观各向同性材料，材料参数为工程弹性常数 、 、 、 、和；

20、基体本构为各向同性弹塑性材料，材料参数包括工程弹性常数 、 、和强度参数，强度参数包括基体拉伸强度、基体压缩强度、基体剪切强度；

21、基体塑性屈服行为通过屈服模型计算：

22、（5）

23、式（5）中，为静水压力，为线性屈服面在应力平面上的摩擦角，为粘聚强度，为偏应力第三不变量，为等效应力，为间接表示洛德角的流动应力比，为三轴拉伸屈服应力与三轴压缩屈服应力的比值。

24、优选的，步骤s4中，周期性边界条件如下：

25、（6）

26、式中，为三个方向的位移，为rve三个方向的几何长度，为对应结点的相对位移。

27、因此，本发明采用上述一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，其技术效果如下：在复合材料宏观结构未失效时，其细观结构上存在纤维-基体界面破坏，为复合材料多尺度计算力学领域发展出一种宏观→细观精细化多尺度损伤表征方法，对基于细观尺度预测复合材料压力容器密封失效具有重要意义。

28、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，其特征在于，步骤s1中，材料工程弹性常数包括弹性模量、剪切模量和泊松比；弹性模量包括1方向弹性模量，2方向弹性模量，3方向弹性模量；剪切模量包括1-2方向剪切模量，1-3方向剪切模量，2-3方向剪切模量；泊松比包括1-2方向泊松比，1-3方向泊松比，2-3方向泊松比；

3.根据权利要求1所述的一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，其特征在于，步骤s2中，通过最大应力准则、tsai-hill准则、tsai-wu准则判断薄弱区域失效情况，具体如下：

4.根据权利要求1所述的一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，其特征在于，步骤s3中，纤维本构为横观各向同性材料，材料参数为工程弹性常数、、、、和；

5.根据权利要求1所述的一种表征复合材料纤维-基体界面破坏的逆向多尺度方法，其特征在于，步骤s4中，周期性边界条件如下：

技术总结
本发明公开了一种表征复合材料纤维‑基体界面破坏的逆向多尺度方法，涉及复合材料多尺度计算力学技术领域。选取复合材料宏观结构，确定纤维体积分数、材料工程弹性常数和各向强度；对复合材料宏观结构施加载荷，判断薄弱区域失效情况，提取薄弱区域应变分量；在细观结构上，根据纤维随机分布RVE生成算法，生成纤维体积分数为的纤维随机分布RVE，确定纤维本构及材料参数和基体本构及材料参数；对纤维随机分布RVE施加周期性边界条件，确保细观结构应力和位移的连续性；将提取的复合材料宏观结构薄弱区域应变分量施加至纤维随机分布RVE，计算表征复合材料RVE纤维‑基体界面破坏情况。

技术研发人员：寇光杰,杨正伟,蔡辉,谢星宇,朱杰堂
受保护的技术使用者：中国人民解放军火箭军工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15