一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法，包括以下步骤：步骤1：根据基体材料抗拉强度及断裂韧性计算微裂纹平均半长度a；步骤2：根据纤维直径、间距及步骤1获得的基体微裂纹平均半长度a，计算形状修正因子F；步骤3：根据纤维直径、间距、弹性模量及基体材料弹性模量，计算共担载荷修正函数f；步骤4：根据步骤2获得的形状修正因子、步骤3获得的共担载荷修正函数以及基体材料抗拉强度，计算纤维增强复合材料抗拉强度；该方法解决了纤维增强复合材料抗拉强度精确预测的问题，该方法可同时适用于钢筋等其他线材增强复合材料的抗拉强度预测。材增强复合材料的抗拉强度预测。材增强复合材料的抗拉强度预测。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法


[0001]本专利技术涉及纤维增强复合材料抗拉强度方法
，更具体的说是涉及一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法。

技术介绍

[0002]碳纤维等材料由于其优异的抗拉强度已广泛应用于复合材料以显著提升结构件的承载性能。准确预测纤维与基体复合后材料的抗拉强度是进行纤维增强复合材料设计与评估的前提保证，因此纤维增强材料抗拉强度的准确预测十分重要。目前常用理论以及仿真的方法进行的纤维增强复合材料抗拉强度的预测，仿真方面常通过有限元软件建立三维胞元(RVE)进行胞元拉伸以获取材料抗拉强度，但是仿真方法在迭代设计过程中存在效率低下且不直接等问题；理论预测方法高效便捷。
[0003]目前常通过载荷共担的机理简单推导获得复合材料抗拉强度与纤维占比、纤维与基体模量等之间的关系，一般纤维增强预测结果均较基体材料有增强效应，但实际试验证据显示纤维引入后由于纤维作为异质夹杂引起了强度退化，不一定会绝对地产生增强效果，因此在实际预测中常常较试验值偏高且误差较大。因此，目前仍然缺少纤维增强复合材料抗拉强度的准确预测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目标是提供一种考虑细观微缺陷的、同时考虑纤维的增强及缺陷夹杂减弱效应的、预测流程便捷且适用范围广的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法，可应用于压装/浇注炸药、混凝土等材料领域。
[0005]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：
[0006]一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据基体材料抗拉强度及断裂韧性计算微裂纹平均半长度a；
[0008][0009]步骤2：根据纤维直径、间距及步骤1获得的基体微裂纹平均半长度a，计算形状修正因子F；
[0010]步骤3：根据纤维直径、间距、弹性模量及基体材料弹性模量，计算共担载荷修正函数f(w,d,E
纤维
,E
基体
,布置维数)，其中，d为纤维直径，w为纤维间距，E
纤维
为纤维模量，E
基体
为基体模量；
[0011]步骤4：根据步骤2获得的形状修正因子、步骤3获得的共担载荷修正函数以及基体材料抗拉强度，计算纤维增强复合材料抗拉强度；
[0012][0013]其中，f为纤维共担载荷修正函数，σ
t0
为复合材料抗拉强度，σ
t,基体
为基体材料抗拉强度。
[0014]所述步骤2中，
[0015]形状修正因子F分为以下几种情况：
[0016]单向纤维：平行于纤维布置方向的形状修正因子为F＝1，垂直于纤维布置方向的形状修正因子为F＝F1(s1)F2(s2)；
[0017]双向纤维：平行于纤维布置平面的形状修正因子为F＝F1(s1)F2(s2)，垂直于纤维布置平面的形状修正因子为F＝F
12
(s1)F
22
(s2)；
[0018]三向纤维：形状修正因子为F＝F
12
(s1)F
22
(s2)；
[0019]其中，F1(s1)和F2(s2)计算方式如下；
[0020][0021][0022]所述步骤2中，F2(s2)具有另外一种计算方式：
[0023][0024]所述步骤3中，
[0025]根据布置方向不同，f(w,d,E
纤维
,E
基体
,布置维数)分为三种情况：
[0026]单向纤维布置时，平行和垂直于纤维方向共担载荷修正函数为，
[0027][0028]双向纤维布置时，平行和垂直于纤维布置平面的共担载荷修正函数分别为，
[0029][0030]三向纤维布置时，各个方向共担载荷修正函数相同为，
[0031][0032]本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：
[0033]1)通过本专利技术，提供了一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法；
[0034]2)该预测方法同时考虑了纤维增强效应及纤维夹杂减弱效应，预测精度高且适用性广；
[0035]3)该预测方法无需仿真进行，预测过程便捷。
附图说明
[0036]图1纤维增强材料双刃剑效应示意图
[0037]图2纤维减弱效应计算示意图
具体实施方式
[0038]下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0039]本专利技术提出了一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法。该方法解决了纤维增强复合材料抗拉强度精确预测的问题，该方法可同时适用于钢筋等其他线材增强复合材料的抗拉强度预测。
[0040]实施例1
[0041]纤维增强复合材料如图1所示，当竖直方向施加载荷时，平行于加载方向的纤维会与基体共同承担载荷从而对材料产生增强效应；而垂直于加载方向的纤维不仅不会共同承担载荷，反而会由于纤维和基体材料模量差异较大引起界面应力较高，进一步引起界面拉伸失效而产生缺陷，因此垂直于加载方向的纤维对材料会产生减弱效应。
[0042]在增强效应方面，根据纤维共担载荷，不考虑减弱效应时的复合材料等效抗拉强度为，
[0043]σ
t0
＝f(w,d,E
纤维
,E
基体
,布置维数)σ
t,基体
(1)
[0044]其中，f(w,d,E
纤维
,E
基体
,布置维数)为纤维共担载荷修正函数，σ
t0
为复合材料抗拉强度，σ
t,基体
为基体材料抗拉强度，d为纤维直径w为纤维间距，E
纤维
为纤维模量，E
基体
为基体模量。
[0045]根据布置方向不同，f(w,d,E
纤维
,E
基体
,布置维数)分为三种情况：
[0046]①
单向纤维布置时，平行和垂直于纤维方向共担载荷修正函数为，
[0047][0048]②
双向纤维布置时，平行和垂直于纤维布置平面的共担载荷修正函数分别为，
[0049][0050]③
三向纤维布置时，各个方向共担载荷修正函数相同为，
[0051][0052]缺陷减弱效果方面，由于脆性基体材料内部包括分布广泛的微裂纹/微缺陷，在拉伸过程中常以微裂纹的扩展失效为主，针对微裂纹长度为2a的应力强度因子为，
[0053][0054]式中：K
I
为应力强度因子，σ为拉伸应力，a为基体材料微裂纹半长度，F为形状修正因子。
[0055]对于基体材料，形状修本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据基体材料抗拉强度及断裂韧性计算微裂纹平均半长度a；步骤2：根据纤维直径、间距及步骤1获得的基体微裂纹平均半长度a，计算形状修正因子F；步骤3：根据纤维直径、间距、弹性模量及基体材料弹性模量，计算共担载荷修正函数f(w,d,E
纤维
,E
基体
,布置维数)，其中，d为纤维直径，w为纤维间距，E
纤维
为纤维模量，E
基体
为基体模量；步骤4：根据步骤2获得的形状修正因子、步骤3获得的共担载荷修正函数以及基体材料抗拉强度，计算纤维增强复合材料抗拉强度；其中，f为纤维共担载荷修正函数，σ
t0
为复合材料抗拉强度，σ
t,基体
为基体材料抗拉强度。2.根据权利要求1所述的一种考虑微裂纹扩展失效的纤维增强复合材料抗拉强度预测方法，其特征在于，所述步骤2中，形状修正因子F分为以下几种情况：单向纤维：平行于纤维布置方向的形状修正因子为F＝1，垂直于纤维布置方向的形状修正因子为F＝F1(s1)F2(s2)；双向纤维：平行于纤维布置平面的形状修正因子为F＝F1(s1)F2(s2)，垂直于纤维布置平面的形状修...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁洪魏，唐维，文乾乾，丁晓敏，吕珂臻，肖盼，董天宝，李云欣，赵龙，颜熹琳，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：