CN105912827B - 一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据 - Google Patents

一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据 Download PDF

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Abstract

一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据,该方法有五大步骤:步骤一、确定纵向拉伸应力作用下纤维主要失效模式;步骤二、计算纤维断裂释放的弹性应变能;步骤三、计算纤维拔出释放的弹性应变能;步骤四、计算纤维拉伸失效过程中的外力功;步骤五、建立纤维拉伸失效的能量判据;本发明特点是提出了一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据,可避免纤维断裂裂纹尖端应力场奇异问题,更好地描述复合材料纤维断裂部位受力的强弱程度,具有使用简单、方便,效率高的优点。

Description

一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据
技术领域
本发明给出了一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据,属于复合材料设计领域。
背景技术
拉伸载荷作用时复合材料纤维的主要失效形式为纤维的断裂和拔出,纤维断裂一般先发生。纤维断裂会导致纤维附近的基体随后发生开裂,以及纤维拔出。由于复合材料纤维断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纤维拉伸断裂部位受力的大小,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纤维拉伸断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纤维拉伸失效的能量判据,为复合材料结构的损伤容限设计提供技术支持。
发明内容
本发明提出了一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据,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、确定纵向拉伸应力作用下纤维主要失效模式
纵向拉伸应力作用时,纤维可能的失效模式包括纤维断裂和拔出,纤维断裂和拔出过程伴随着能量耗散。
步骤二、计算纤维断裂释放的弹性应变能
纤维断裂前,假定纤维轴向正应力沿轴向均匀分布。当纤维发生断裂失效时,纤维的轴向正应力等于纤维的拉伸强度。断裂发生后,纤维上、下断裂端面正应力变为0。由于剪切迟滞效应,基体对纤维产生沿纤维方向的切应力τ(y),纤维轴向正应力沿纤维轴向向两端逐渐增大,并逐渐恢复到纤维的拉伸强度。假设基体对纤维产生的切应力沿纤维周向均匀分布,根据纤维受力平衡条件,可得
其中,σf为纤维的拉伸强度,lc为使纤维产生拉伸失效所需的临界剪力传递长度,r为纤维半径。
假定基体对纤维产生的切应力沿纤维轴向均匀分布,即τ(y)=τ,可以得到临界剪力传递长度的估计公式
lc=σfr/τ (2)
根据纤维微段受力平衡条件,可知
由于τ为常值,因此,纤维轴向正应力自断裂端面向两端线性增加,由此可计算纤维断裂前后瞬间的弹性应变能释放量u1
其中,Ef为纤维的拉伸模量。
根据公式(4),可得拉伸载荷作用下单位横截面上纤维断裂释放的弹性应变能:
式中A0为单根纤维与附近基体的总横截面积。
复合材料纤维的体积分数定义为
将式(6)代入式(5),可以得到
式(7)即为拉伸载荷作用下单位横截面上纤维断裂释放的弹性应变能。
步骤三、计算纤维拔出释放的弹性应变能
在纤维受纵向拉伸应力作用时,纤维四周基体由于初始缺陷会产生横向裂纹,当横向裂纹发生在断裂位置附近时,纤维会发生拔出失效。假定基体横向裂纹位置和纤维断裂位置之间的距离为k,由定义可知k小于lc/2,则受纵向拉伸应力作用时纤维的拔出功u2等于
假定基体内部的横向裂纹位置沿纤维长度方向服从均匀分布规律,定义纤维长度为l,纤维发生拔出失效的概率等于
则纵向拉伸应力作用下考虑纤维均匀失效概率的纤维平均拔出功为
联立式(2)、式(6)以及式(10),单位横截面上由于纤维拔出释放的弹性应变能为
步骤四、计算纤维拉伸失效过程中的外力功
假定单层板处于平面应力状态(如图2所示),对于沿纤维方向长度为lc的单层板,其单位面积拉伸载荷外力功
其中,σ1代表单层板纵向拉伸正应力,ε1代表单层板纵向拉伸应变。
根据复合材料力学理论,可以得到ε1的表达式
其中,σ2代表单层板横向拉伸正应力,E0代表单层板纵向拉伸模量,υ12代表单层板的泊松比。
将式(13)代入式(12),可以得到单层板单位面积拉伸载荷外力功的表达式
步骤五、建立纤维拉伸失效的能量判据
纤维拉伸失效过程中由于纤维断裂及纤维拔出失效释放的总能量为
根据功能守恒原理可以得到
上式等号右侧与纤维实际受力状况无关,只与材料本身力学性能有关。等号左侧反映了外部受载情况,当等号左端等于或大于右端时,纤维发生拉伸失效。
对式(16)进行变换,可以得到纤维拉伸失效指数:
上式中,符号B代表单层板横向拉伸正应力σ2与单层板纵向拉伸正应力σ1之比,因此,纤维的拉伸失效判据可写为F≥1。
优点及功效:本发明提供的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纤维断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为纤维断裂及拔出过程示意图。
图2为单层板受力示意图。
图3为本发明的流程图。
图中符号说明如下:
图1中的r为纤维的半径,lc为使纤维产生拉伸破坏所需的临界剪力传递长度,τ(y)为基体对纤维产生的沿纤维方向的剪切力。
图2中的σ1和σ2为单层板处于平面受力状态下的纵向和横向正应力分量,τ12为面内切应力分量。
具体实施方式
图3为本发明的流程图,本发明分五步实现,具体为:
步骤一、确定纵向拉伸应力作用下纤维主要失效模式
纵向拉伸应力作用时,纤维可能的失效模式包括纤维断裂和拔出,纤维断裂和拔出过程伴随着能量耗散。
步骤二、计算纤维断裂释放的弹性应变能
纤维断裂前,假定纤维轴向正应力沿轴向均匀分布。当纤维发生断裂失效时,纤维的轴向正应力等于纤维的拉伸强度。断裂发生后,纤维上、下断裂端面正应力变为0。由于剪切迟滞效应,基体对纤维产生沿纤维方向的切应力τ(y),纤维轴向正应力沿纤维轴向向两端逐渐增大,并逐渐恢复到纤维的拉伸强度。假设基体对纤维产生的切应力沿纤维周向均匀分布,根据纤维受力平衡条件,可得
其中,σf为纤维的拉伸强度,lc为使纤维产生拉伸失效所需的临界剪力传递长度,r为纤维半径。
假定基体对纤维产生的切应力沿纤维轴向均匀分布,即τ(y)=τ,可以得到临界剪力传递长度的估计公式
lc=σfr/τ (2)
根据纤维微段受力平衡条件,可知
由于τ为常值,因此,纤维轴向正应力自断裂端面向两端线性增加,由此可计算纤维断裂前后瞬间的弹性应变能释放量u1
式中,Ef为纤维的拉伸模量。
根据公式(4),可得拉伸载荷作用下单位横截面上纤维断裂释放的弹性应变能:
式中A0为单根纤维与附近基体的总横截面积。
复合材料纤维的体积分数定义为
将式(6)代入式(5),可以得到
式(7)即为拉伸载荷作用下单位横截面上纤维断裂释放的弹性应变能。
步骤三、计算纤维拔出释放的弹性应变能
在纤维受纵向拉伸应力作用时,纤维四周基体由于初始缺陷会产生横向裂纹,当横向裂纹发生在断裂位置附近时,纤维会发生拔出失效。假定基体横向裂纹位置和纤维断裂位置之间的距离为k,由定义可知k小于lc/2,则受纵向拉伸应力作用时纤维的拔出功u2等于
假定基体内部的横向裂纹位置沿纤维长度方向服从均匀分布规律,定义纤维长度为l,纤维发生拔出失效的概率等于
则纵向拉伸应力作用下考虑纤维均匀失效概率的纤维平均拔出功为
联立式(2)、式(6)以及式(10),单位横截面上由于纤维拔出释放的弹性应变能为
步骤四、计算纤维拉伸失效过程中的外力功
假定单层板处于平面应力状态(如图2所示),对于沿纤维方向长度为lc的单层板,其单位面积拉伸载荷外力功
其中,σ1代表单层板纵向拉伸正应力,ε1代表单层板纵向拉伸应变。
根据复合材料力学理论,可以得到ε1的表达式
其中,σ2代表单层板横向拉伸正应力,E0代表单层板纵向拉伸模量,υ12代表单层板的泊松比。
将式(13)代入式(12),可以得到单层板单位面积拉伸载荷外力功的表达式
步骤五、建立纤维拉伸失效的能量判据
纤维拉伸失效过程中由于纤维断裂及纤维拔出失效释放的总能量为
根据功能守恒原理可以得到
上式等号右侧与纤维实际受力状况无关,只与材料本身力学性能有关。等号左侧反映了外部受载情况,当等号左端等于或大于右端时,纤维发生拉伸失效。
对式(16)进行变换,可以得到纤维拉伸失效指数:
上式中,符号B代表单层板横向拉伸正应力σ2与单层板纵向拉伸正应力σ1之比,因此,纤维的拉伸失效判据可写为F≥1。

Claims (1)

1.一种预报复合材料纤维拉伸失效的能量判据,该判据的具体步骤如下:
步骤一、确定纵向拉伸应力作用下纤维主要失效模式
纵向拉伸应力作用时,纤维可能的失效模式包括纤维断裂和拔出,纤维断裂和拔出过程伴随着能量耗散;
步骤二、计算纤维断裂释放的弹性应变能
纤维断裂前,假定纤维轴向正应力沿轴向均匀分布,当纤维发生断裂失效时,纤维的轴向正应力等于纤维的拉伸强度,断裂发生后,纤维上、下断裂端面正应力变为0,由于剪切迟滞效应,基体对纤维产生沿纤维方向的切应力τ(y),纤维轴向正应力沿纤维轴向向两端逐渐增大,并逐渐恢复到纤维的拉伸强度,假设基体对纤维产生的切应力沿纤维周向均匀分布,根据纤维受力平衡条件,可得
其中,σf为纤维的拉伸强度,lc为使纤维产生拉伸失效所需的临界剪力传递长度,r为纤维半径;
假定基体对纤维产生的切应力沿纤维轴向均匀分布,即τ(y)=τ,可以得到临界剪力传递长度的估计公式
lc=σfr/τ (2)
根据纤维微段受力平衡条件,可知
由于τ为常值,因此,纤维轴向正应力自断裂端面向两端线性增加,由此可计算纤维断裂前后瞬间的弹性应变能释放量u1
其中,Ef为纤维的拉伸模量;
根据公式(4),可得拉伸载荷作用下单位横截面上纤维断裂释放的弹性应变能:
式中A0为单根纤维与附近基体的总横截面积,
复合材料纤维的体积分数定义为
将式(6)代入式(5),可以得到
式(7)即为拉伸载荷作用下单位横截面上纤维断裂释放的弹性应变能;
步骤三、计算纤维拔出释放的弹性应变能
在纤维受纵向拉伸应力作用时,纤维四周基体由于初始缺陷会产生横向裂纹,当横向裂纹发生在断裂位置附近时,纤维会发生拔出失效,假定基体横向裂纹位置和纤维断裂位置之间的距离为k,由定义可知k小于lc/2,则受纵向拉伸应力作用时纤维的拔出功u2等于
假定基体内部的横向裂纹位置沿纤维长度方向服从均匀分布规律,定义纤维长度为l,纤维发生拔出失效的概率等于
则纵向拉伸应力作用下考虑纤维均匀失效概率的纤维平均拔出功为
联立式(2)、式(6)以及式(10),单位横截面上由于纤维拔出释放的弹性应变能为
步骤四、计算纤维拉伸失效过程中的外力功
假定单层板处于平面应力状态,对于沿纤维方向长度为lc的单层板,其单位面积拉伸载荷外力功
其中,σ1代表单层板纵向拉伸正应力,ε1代表单层板纵向拉伸应变;
根据复合材料力学理论,可以得到ε1的表达式
其中,σ2代表单层板横向拉伸正应力,E0代表单层板纵向拉伸模量,υ12代表单层板的泊松比;
将式(13)代入式(12),可以得到单层板单位面积拉伸载荷外力功的表达式
步骤五、建立纤维拉伸失效的能量判据
纤维拉伸失效过程中由于纤维断裂及纤维拔出失效释放的总能量为
根据功能守恒原理可以得到
上式等号右侧与纤维实际受力状况无关,只与材料本身力学性能有关,等号左侧反映了外部受载情况,当等号左端等于或大于右端时,纤维发生拉伸失效;
对式(16)进行变换,可以得到纤维拉伸失效指数:
上式中,符号B代表单层板横向拉伸正应力σ2与单层板纵向拉伸正应力σ1之比,因此,纤维的拉伸失效判据可写为F≥1。
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