【技术实现步骤摘要】
适用于航空航天、船舶与轨道交通等高端装备制造领域中碳纤维复合材料分层损伤的物理机制分析以及下一代高抗冲复合材料的微观结构设计与研制。
技术介绍
1、碳纤维增强复合材料具有高比强度，高比刚度，结构可设计等优越的特性，被广泛应用于高端装备制造领域。分层是复合材料层合板主要的损伤形式之一，其形成原因复杂，扩展过程难以预测。结构一旦发生分层损伤将大大降低层合板结构的刚度和强度，从而影响其承载能力，导致民机结构的灾难性破坏。
2、提升复合材料的抗分层能力一直是复合材料研发人员追求的目标。技术手段包括基体增韧、基纤界面改性、层间离位增韧、z向增强等物理或化学手段。但如何通过对层间微细观结构进行合理设计，借助以上手段更好的在不同尺度对层间状态进行调控，以提升复合材料的抗分层能力仍然具有挑战。另一方面，目前层间损伤的分析多关注于宏观载荷-位移响应特征，常规的分析模型和方法并不能很好的反映层间基体开裂、基纤界面损伤和开裂产生的长/短纤维粘连等不同失效机制的影响，分层损伤力学模型和分析方法有待完善。因此，研制具有高抗分层能力的复合材料，并研究其分层损伤机制及扩展行为，发展其分析和预测方法对提升结构的可靠性、服役的安全性、工程应用的经济性等至关重要。
3、在复合材料层合板i型分层的标准dcb试验中，裂纹尖端扩展后的表面形成大量纤维粘连。这种纤维粘连现象会增强分层扩展的阻力，导致层间应变能释放率随着裂纹长度的增长而上升，从而形成裂纹扩展长度与结构应变能释放的“r曲线”现象。已有试验证实了纤维粘连是r曲线现象形成的主要原因。在裂纹
4、目前对于复合材料结构中i型分层损伤机制的形成机制与关联性研究还不充分。以往分层裂纹尖端损伤机制研究的重点在于裂纹尖端的基体损伤，忽略了基体开裂过程与长/段纤维粘连现象的关联作用，常将纤维粘连与基体损伤进行共同处理，这导致无法剖析纤维粘连在裂纹尖端损伤演化过程中独立起的作用。也阻碍了对材料层间基纤结合状态与不同失效机制之间关联关系的认识和分析，难以指导高抗分层复合材料体系的层间材料设计及研制。
5、高性能复合材料研制与应用中分层损伤分析难的这一技术痛点已经被大家所关注。如专利cn 110376055公开了一种基于新型czm本构关系的cfrp层板分层失效行为预测方法，其采用两个由双线性模型叠加的新型czm单元对含基体开裂和纤维粘连的层间分层进行描述。其实现方式上仍为1个czm单元，虽然可以描述分层损伤的宏观表现，但无法独立解耦基体开裂和纤维粘连对分层损伤扩展的贡献。
6、在实际应用中，评估基体开裂、基体/纤维分离及部分基体/纤维发生错位而产生的长/短纤维粘连现象对分层扩展行为的贡献不同，需要对其进行独立评估，以提升复合材料结构在复杂载荷下的分层损伤扩展分析准确性，并在此基础上通过对基体、基纤界面及其微结构进行调控，增加复合材料分层过程的能量耗散量，指导新型高抗分层的复合材料的材料设计与研制。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：提供基于微观损伤机制的复合材料层间解耦czm模型分析方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
2、本专利技术解决其技术问题的解决方案是：
3、基于微观损伤机制的复合材料层间解耦czm模型分析方法，包括以下步骤：
4、步骤1、制备不同铺层的复合材料双悬臂梁试样，并开展dcb测试；
5、步骤2、计算不同铺层试样的i型层间断裂能随分层长度的曲线；
6、步骤3、建立双悬臂梁试样的数值分析模型，复合材料板采用实体单元建模，层间界面采用在同一位置overlap布置三个czm单元的形式进行建模，分别表示基体开裂和基体/纤维分离，长纤维粘连和短纤维粘连；其中表示基体开裂和基体/纤维分离的czm单元设为element 1、表示长粘连纤维的czm单元设为element 2、表示短粘连纤维的czm单元设为element 3；
7、步骤4、对三个overlap czm单元的参数进行解耦，得到每个单元的czm参数：
8、三个overlapczm单元的应变能释放率解耦：
9、复合材料分层过程的稳态应变能释放率gprop由初始应变能释放率gini与纤维粘连的应变能释放率gbr组成，由下列方程表示：
10、gprop＝gini+gbr
11、根据内聚力单元的separation：δ来拆分每组单元的czm参数。
12、当czm单元的牵引位移δ＝δ2时,代表实际情况中裂纹刚刚形成。代表裂纹扩展的层间初始应变能释放率为gini，根据损伤机制差异可以将gini解耦为：
13、
14、式中：gini主要由四种微观损伤机制组成，其中gi-md代表element 1完全损伤所需的应变能释放率,gi-md由代表基体断裂的应变能释放率gi-m，和代表基体/纤维分离损伤的应变能释放率gi-d组成。此外，裂纹尖端还存在基体/纤维错位分离并形成短纤维与长纤维纤维粘连的损伤机制，其中gi-l代表长纤维粘连形成过程，element 2弹性阶段的应变能释放率。gi-s代表短纤维粘连形成过程，element 3弹性阶段的应变能释放率。
15、当czm单元的牵引位移δ＝δf时,粘连纤维单元从损伤起始到完全失效的应变能释放率为gbr。
16、其中gbr由长纤维区产生的应变能释放率gbr-l和短纤维区产生的应变能释放率gbr-s两部分组成，表达式如下：
17、gbr＝gbr-s+gbr-l
18、采用j积分法描述纤维粘连的分布规律，j积分法表达式为：
19、
20、对上列方程求导可得粘连纤维应力表达式：
21、
22、式中：δ表示为初始裂纹扩展位置的张开位移；gini为裂纹尖端周围的应变能释放率。此处采用的指数型函数进行拟合，表达式为：
23、
24、其中ga、gb、δa和δb为拟合参数，粘连应力分布表达式为：
25、
26、其中gbr-l＝ga代表长粘连纤维单元损伤应变能释放率，代表长粘连纤维最大应力，gbr-s＝gb代表短粘连纤维单元损伤应变能释放率，代表短粘连纤维最大应力。
27、三个overlapczm单元的计算参数确定：
28、由试验可以测得初始应变能释放率gini，稳态应变能释放率gprop，根据r曲线及gprop＝gini+gbr可以得到粘连稳定应变能释放率gbr及r曲线拟合函数；通过j积分法可以获得粘连纤维最大应力σbr-l和σbr-s粘连纤维损伤应变能释放率gbr-l和gbr-s。随后element 1单元完全失效时的张开位移δ2可根据获得；σ本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于微观损伤机制的复合材料层间解耦CZM模型分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于微观损伤机制的复合材料层间解耦CZM模型分析方法，其特征在于：所述步骤1中，不同的复合材料双悬臂梁试样可选用不同的铺层角度，如0//0、0//45、0//90。
3.根据权利要求1所述的基于微观损伤机制的复合材料层间解耦CZM模型分析方法，其特征在于：所述步骤1中，复合材料双悬臂梁试样由单向复合材料预浸料制备。
4.根据权利要求1所述的基于微观损伤机制的复合材料层间解耦CZM模型分析方法，其特征在于：所述步骤5中，使用有限元软件的CZM单元对复合材料I型分层损伤行为进行模拟。
【技术特征摘要】
1.基于微观损伤机制的复合材料层间解耦czm模型分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于微观损伤机制的复合材料层间解耦czm模型分析方法，其特征在于：所述步骤1中，不同的复合材料双悬臂梁试样可选用不同的铺层角度，如0//0、0//45、0//90。
3.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹东风，段青枫，胡海晓，李书欣，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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