【技术实现步骤摘要】
本申请涉及纤维增强复合材料力学本构研究领域，特别是涉及一种考虑时间效应的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法、系统、设备及介质。
技术介绍
1、纤维增强复合材料作为常用的多功能材料，具有轻质、高强、耐腐蚀和可设计性强等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、精密仪器等重要场景。因此，准确把握纤维增强复合材料的力学性能，可为多场合的工程应用提供准确合理的性能预示，避免材料失效导致的巨大损失。纤维增强复合材料的力学本构是描述纤维复合材料力学行为的数学模型，可用来构建数值计算方法、开发有限元预测模型，以供纤维增强复合材料工程结构设计、力学性能优化等实际需求。
2、然而，受制备工艺、纤维取向、界面强度、材料非线性等因素影响，纤维增强复合材料的力学行为并不统一，这导致以往的本构方程预测效果不佳、准确的本构方程体系复杂。例如，中国专利技术专利申请号cn202010366881.4，专利技术名称“一种碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法与本构模型”和cn201911268610.9，专利技术名称“一种锻造的碳纤维复合材料压缩力学本构计算方法”提出了相应的唯象复合材料本构，但其数学模型中的各项无具体物理意义，这使得该方法仅能针对一类材料且预测效果较差，具有局限性和不确定性。
3、目前的本构方程通常是针对特定材料体系设计的，难以适用于不同类型或组成的纤维复合材料，这使得在不同应用领域中的转化和应用受到限制，需要更通用、更准确的模型来解决这一问题。
技术实现思路
1、本申请的目的是
2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
3、第一方面，本申请提供了一种单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，包括：
4、制备不同铺层角的纤维复合材料试件；
5、对所述纤维复合材料试件进行准静态压缩试验和准静态剪切试验，确定纤维复合材料试件的力学性能；
6、基于连续介质力学基本方程及所述纤维复合材料试件的力学性能，确定各向异性弹性模量旋转公式；
7、基于所述各向异性弹性模量旋转公式，采用遗传弹性理论中求解算子性质的方法考虑时间相关效应，推导遗传弹性模量的显式算子；
8、基于所述遗传弹性模量的显式算子，引入分数-指数函数对heaviside单位阶跃函数的作用关系，推导带有分数-指数算子的本构方程；
9、基于所述各向异性弹性模量旋转公式及所述带有分数-指数算子的本构方程，确定单向纤维增强复合材料在应变率影响下的剪切本构方程；
10、基于所述剪切本构方程，预测单向纤维增强复合材料的剪切应力-应变关系。
11、可选地，制备不同铺层角的纤维复合材料试件，具体包括：制备铺层角为90°和45°的纤维复合材料试件。
12、可选地，对所述纤维复合材料试件进行准静态压缩试验和准静态剪切试验，确定纤维复合材料试件的力学性能，具体包括：
13、对所述纤维复合材料试件进行准静态剪切试验，获取纤维复合材料试件在不同平面上的弹性模量，得到唯象的剪切应力-应变曲线；
14、对所述纤维复合材料试件进行准静态压缩试验，获取纤维复合材料试件在不同方向上的剪切模量，得到唯象的压缩应力-应变曲线；
15、根据所述剪切应力-应变曲线及所述压缩应力-应变曲线，确定纤维复合材料试件的力学性能。
16、可选地，基于连续介质力学基本方程及所述纤维复合材料试件的力学性能，确定各向异性弹性模量旋转公式，具体包括：
17、基于连续介质力学基本方程，确定材料本构方程：
18、σθ＝eθ·εθ；
19、其中，σθ为铺层角为θ下的应力，εθ为铺层角为θ下的应变，eθ为铺层角为θ下的弹性模量；
20、基于所述材料本构方程及所述纤维复合材料试件的力学性能，确定各向异性弹性模量旋转公式：
21、
22、其中，e1为沿纤维方向的弹性模量，e2为垂直于纤维方向的弹性模量，g12为纤维复合材料的剪切模量，v12为纤维复合材料的泊松比，m和n均表示正交各向异性主轴方向，m为铺层角的余弦三角函数值，n为铺层角的正弦三角函数值，m＝cosθ，n＝sinθ。
23、可选地，基于所述各向异性弹性模量旋转公式，采用遗传弹性理论中求解算子性质的方法考虑时间相关效应，推导遗传弹性模量的显式算子，具体包括：
24、采用以下公式确定各向异性弹性模量旋转公式的遗传模量算子：
25、
26、其中，为铺层角为θ下的遗传模量，为纤维复合材料的瞬时剪切模量，为垂直于纤维方向的瞬时弹性模量，为横向方向的遗传算子，为剪切方向的遗传算子；
27、根据所述遗传模量算子确定弹性模量的表达式：
28、
29、其中，为遗传算子，包括和aθ和bθ均为中间量，k12为剪切方向的系数，k2为材料参数；
30、根据所述弹性模量的表达式确定遗传弹性模量的显式算子：
31、
32、其中，为横向方向材料的初始模量，kθ为中间参数，为rabotnov分数-指数算子。
33、可选地，带有分数-指数算子的本构方程为：
34、
35、可选地，基于所述各向异性弹性模量旋转公式及所述带有分数-指数算子的本构方程，确定单向纤维增强复合材料在应变率影响下的剪切本构方程，具体包括：
36、基于所述各向异性弹性模量旋转公式及所述带有分数-指数算子的本构方程，确定应变率影响下应力-应变曲线的本构方程：
37、
38、其中，为准静态应变率，α为奇点参数；
39、基于应变率影响下应力-应变曲线的本构方程，确定单向纤维增强复合材料在应变率影响下的剪切本构方程：
40、
41、其中，τ12为单向纤维增强复合材料的剪切应力，a和b为常数，h为heaviside方程，ψb(t)为时间相关的系数方程的代写，tb为时间系数，为剪切应变率，ψ1(t)为在第一个时间步长时的时间相关系数，ψ0(t*)为在初始点一个时间步长时对应的系数，t为时间，t*为时间步长。
42、第二方面，本申请提供了一种单向纤维增强复合材料力学行为预测系统，包括：
43、试件制备模块，用于制备不同铺层角的纤维复合材料试件；
44、试验模块，用于对所述纤维复合材料试件进行准静态压缩试验和准静态剪切试验，确定纤维复合材料试件的力学性能；
45、弹性模量旋转公式确定模块，用于基于连续介质力学基本方程及所述纤维复合材料试件的力学性能，确定各向异性弹性模量旋转公式；
46、显式算子确定模块，用于基于所述各向异性弹性模量旋转公式，采用遗传弹性理论中求解算子性质的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，所述单向纤维增强复合材料力学行为预测方法包括：
2.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，制备不同铺层角的纤维复合材料试件，具体包括：
3.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，对所述纤维复合材料试件进行准静态压缩试验和准静态剪切试验，确定纤维复合材料试件的力学性能，具体包括：
4.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，基于连续介质力学基本方程及所述纤维复合材料试件的力学性能，确定各向异性弹性模量旋转公式，具体包括：
5.根据权利要求4所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，基于所述各向异性弹性模量旋转公式，采用遗传弹性理论中求解算子性质的方法考虑时间相关效应，推导遗传弹性模量的显式算子，具体包括：
6.根据权利要求5所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，带有分数-指数算子的本构方程为：
7.根据权利要求6所述的单向纤维增强
8.一种单向纤维增强复合材料力学行为预测系统，应用于权利要求1-7任一项所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，所述单向纤维增强复合材料力学行为预测系统包括：
9.一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-7中任一项所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法。
...【技术特征摘要】
1.一种单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，所述单向纤维增强复合材料力学行为预测方法包括：
2.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，制备不同铺层角的纤维复合材料试件，具体包括：
3.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，对所述纤维复合材料试件进行准静态压缩试验和准静态剪切试验，确定纤维复合材料试件的力学性能，具体包括：
4.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，基于连续介质力学基本方程及所述纤维复合材料试件的力学性能，确定各向异性弹性模量旋转公式，具体包括：
5.根据权利要求4所述的单向纤维增强复合材料力学行为预测方法，其特征在于，基于所述各向异性弹性模量旋转公式，采用遗传弹性理论中求解算子性质的方法考虑时间相关效应，推导遗传弹性模量的显式算子，具体包括：
6.根据权利要求5所述的单向纤维增...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩，赵昌方，饶志锐，刘琛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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