CN112100806A - 一种表征复合材料本构曲线的获取方法 - Google Patents

一种表征复合材料本构曲线的获取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112100806A
CN112100806A CN202010755360.8A CN202010755360A CN112100806A CN 112100806 A CN112100806 A CN 112100806A CN 202010755360 A CN202010755360 A CN 202010755360A CN 112100806 A CN112100806 A CN 112100806A
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
constitutive
model
stress
curve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010755360.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112100806B (zh
Inventor
费庆国
郭飞
李彦斌
张培伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202010755360.8A priority Critical patent/CN112100806B/zh
Publication of CN112100806A publication Critical patent/CN112100806A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112100806B publication Critical patent/CN112100806B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/26—Composites
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种表征复合材料本构曲线的获取方法，属于复合材料力学性能研究技术领域。本发明包括以下步骤：1.完成大量复合材料力学性能试验，获得大量应力‑应变曲线；2.将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；3.根据试验测得的应力‑应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型中的参数值；4.采用参数平均的方法，获得复合材料本构模型的表征参数，将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。本发明能够较为准确地获得表征复合材料本构曲线，为复合材料的性能分析以及复合材料结构的高保真仿真计算奠定基础。

Description

一种表征复合材料本构曲线的获取方法
技术领域
本发明属于复合材料力学性能研究技术领域，具体涉及一种表征复合材料本构曲线的获取方法。
背景技术
由于制造工艺的差异性、组分材料性能的随机性以及内部缺陷的不确定性，使得复合材料力学性能具有一定的离散性。复合材料本构是其最为关键的力学性能之一，本构的离散性极大地限制了复合材料性能分析以及复合材料结构的仿真计算，因此，必须找到一种能够表征复合材料本构曲线的方法。
目前工程上较为常用的有两种方法。方法一：根据经验从多条试验曲线中挑选具有代表性的应力-应变曲线作为表征复合材料本构曲线。该方法较大地依赖于个人的认知水平，不同人挑选的结果具有一定的差异性，该方法不能获得广泛的认可。方法二：将多条试验曲线在相同应变处取应力平均的方法，该方法广泛应用于工程及科学研究中(Lai Y,Li S,Qi J,et al.Strength distributions of warm frozen clay and its stochasticdamage constitutive model[J].Cold Regions Science and Technology,2008,53(2):200-215.)，然而该方法仅适用于没有阶段性突变的应力-应变曲线。对于大多数复合材料，在失效后会由损伤阶段转变为退化阶段，其应力-应变曲线会出现陡然下降，采用多条试验曲线在相同应变处取应力平均的方法将不能获得准确的表征复合材料本构曲线。
图1所示为一种复合材料压缩试验测得的多条应力-应变曲线采用方法二获得的表征复合材料本构曲线，该曲线显示材料在失效后有较多阶梯状退化过程，然而在试验应力-应变曲线中并不具有该特征。因此，该方法不能用于获得表征复合材料本构曲线。所以目前科学研究及工程应用中急需一种表征复合材料本构曲线的获取方法。
发明内容
本发明提供了一种表征复合材料本构曲线的获取方法，优点在于采用该方法获得的复合材料本构曲线能够准确地表征复合材料的本构关系，为复合材料的性能分析以及复合材料结构的高保真仿真计算奠定基础。
为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种表征复合材料本构曲线的获取方法，包括：
完成大量复合材料力学性能试验，获取试验应力-应变曲线；
将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；其中，在复合材料失效前的损伤阶段，采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在复合材料失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；
根据所述试验应力-应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型的参数值；
采用参数平均的方法获得复合材料本构模型的表征参数，再将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。
进一步的，所述力学性能试验指的是拉伸、压缩或剪切试验，在同一加载工况下的有效试验次数至少5次。
进一步的，所述待拟合复合材料本构模型的最大应力和最大应力处的应变与力学性能试验测得数据一致，待拟合复合材料本构模型的最大应力处于失效前的损伤阶段，且最大应力点处的斜率为0，推导出的待拟合复合材料本构模型表示如下：
Figure BDA0002611379000000021
式中：σ为应力；ε为应变；σmax和εσ_max分别为试验应力-应变曲线中的最大应力和对应的应变值；b为Weibull损伤模型中的形状因子；εf为失效应变；k为退化阶段的退化因子。
进一步的，构建试验应力—应变曲线与待拟合复合材料本构模型的最小二乘目标函数，表示为：
Figure BDA0002611379000000022
式中：n表示试验应力-应变曲线的数据点个数，
Figure BDA0002611379000000023
和σ(j)分别表示第j个试验数据点的应力值和对应的待拟合复合材料本构模型的应力值；
优化复合材料本构模型中的参数值b、k和εf，使得最小二乘目标函数最小，优化得到的参数值即为拟合得到的复合材料本构模型的参数值。
进一步的，所述参数平均的方法指的是对于同一工况下的多条试验曲线拟合得到的参数值分别进行算数平均，获得的各个参数的平均值即为表征参数。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明为准确获取表征复合材料本构曲线提供了一种方法，该方法充分考虑了复合材料的本构特征，将复合材料本构模型分为两个阶段进行表征，即失效前的损伤阶段采用Weibull损伤模型表征材料的损伤演化过程；在失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征材料的力学性能退化过程，其力学意义明确。本发明能够较为准确地获得表征复合材料本构曲线，为复合材料的性能分析以及复合材料结构的高保真仿真计算奠定基础。
附图说明
图1为传统方法获取得到的表征本构曲线；
图2为本发明的总体流程图；
图3为本发明专利获取得到的表征本构曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
实施例：一种表征复合材料本构曲线的获取方法，步骤如图2所示。
步骤1：本发明完成了5次C/C复合材料准静态压缩试验，获得5条应力-应变曲线如图3所示。
步骤2：在复合材料压缩失效前的损伤阶段采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在压缩失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；为了最大程度保证待拟合复合材料压缩本构模型能够包含试验压缩应力-应变曲线的最基本特征，要求，a.待拟合复合材料压缩本构模型的最大应力和最大应力处的应变应与试验测得数据一致，b.待拟合复合材料压缩本构模型的最大应力应处于失效前的损伤阶段，且该点斜率为0。最终推导出的待拟合复合材料压缩本构模型表示如下：
Figure BDA0002611379000000031
式中：σ为应力；ε为应变；σmax和εσ_max分别为试验应力-应变曲线中的最大应力和对应的应变值，可从试验应力-应变曲线中直接读取；b为Weibull损伤模型中的形状因子；εf为失效应变；k为退化阶段的退化因子。
步骤3：构建试验压缩应力应变曲线与待拟合复合材料压缩本构模型的最小二乘目标函数，表示为：
Figure BDA0002611379000000032
式中：n表示试验压缩应力-应变曲线的数据点个数，
Figure BDA0002611379000000041
和σ(j)分别表示第j个试验数据点的应力值和对应的待拟合复合材料压缩本构模型的应力值。
通过数值计算软件Matlab优化复合材料压缩本构模型中的参数值b、k和εf，使得最小二乘目标函数最小，优化得到的参数值即为拟合得到的复合材料压缩本构模型的参数值。所得的参数如表1所示。
表1.C/C复合材料压缩本构模型参数值
Figure BDA0002611379000000042
步骤4：计算各个参数b、k、εf、σmax和εσ_max的算术平均值，即表征参数，计算结果如表1所示。将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料压缩本构模型：
Figure BDA0002611379000000043
本发明获取得到的表征复合材料压缩本构曲线如图3所示。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

Claims (5)

1.一种表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，包括：
完成大量复合材料力学性能试验，获取试验应力-应变曲线；
将Weibull损伤模型和线性退化模型相结合推导出待拟合复合材料本构模型；其中，在复合材料失效前的损伤阶段，采用Weibull损伤模型表征复合材料的损伤演化过程；在复合材料失效后的退化阶段，采用线性退化模型表征复合材料的力学性能退化过程；
根据所述试验应力-应变曲线采用最小二乘法拟合得到复合材料本构模型的参数值；
采用参数平均的方法获得复合材料本构模型的表征参数，再将表征参数带入复合材料本构模型中即可得到表征复合材料本构曲线。
2.根据权利要求1所述表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，所述力学性能试验指的是拉伸、压缩或剪切试验，在同一加载工况下的有效试验次数至少5次。
3.根据权利要求1所述表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，所述待拟合复合材料本构模型的最大应力和最大应力处的应变与力学性能试验测得数据一致，待拟合复合材料本构模型的最大应力处于失效前的损伤阶段，且最大应力点处的斜率为0，推导出的待拟合复合材料本构模型表示如下：
Figure FDA0002611378990000011
式中：σ为应力；ε为应变；σmax和εσ_max分别为试验应力-应变曲线中的最大应力和对应的应变值；b为Weibull损伤模型中的形状因子；εf为失效应变；k为退化阶段的退化因子。
4.根据权利要求1所述表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，构建试验应力—应变曲线与待拟合复合材料本构模型的最小二乘目标函数，表示为：
Figure FDA0002611378990000012
式中：n表示试验应力-应变曲线的数据点个数，
Figure FDA0002611378990000013
和σ(j)分别表示第j个试验数据点的应力值和对应的待拟合复合材料本构模型的应力值；
优化复合材料本构模型中的参数值b、k和εf，使得最小二乘目标函数最小，优化得到的参数值即为拟合得到的复合材料本构模型的参数值。
5.根据权利要求1所述表征复合材料本构曲线的获取方法，其特征在于，所述参数平均的方法指的是对于同一工况下的多条试验曲线拟合得到的参数值分别进行算数平均，获得的各个参数的平均值即为表征参数。
CN202010755360.8A 2020-07-31 2020-07-31 一种表征复合材料本构曲线的获取方法 Active CN112100806B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010755360.8A CN112100806B (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种表征复合材料本构曲线的获取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010755360.8A CN112100806B (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种表征复合材料本构曲线的获取方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112100806A true CN112100806A (zh) 2020-12-18
CN112100806B CN112100806B (zh) 2023-12-15

Family

ID=73749899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010755360.8A Active CN112100806B (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种表征复合材料本构曲线的获取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112100806B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092258A (zh) * 2021-04-15 2021-07-09 奇瑞汽车股份有限公司 一种冷冲压成形金属零件用材逆向推导的方法
CN113707242A (zh) * 2021-08-25 2021-11-26 常州工学院 一种固体推进剂率相关内聚力本构模型的构建方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107633120A (zh) * 2017-09-07 2018-01-26 东南大学 一种纤维增强复合材料动态剪切本构模型的构建方法
CN108169040A (zh) * 2017-12-14 2018-06-15 中国人民解放军空军工程大学 一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法
WO2018107730A1 (zh) * 2016-12-16 2018-06-21 海口未来技术研究院 复合材料的疲劳寿命预测方法及预测系统
CN108535121A (zh) * 2018-03-07 2018-09-14 华能澜沧江水电股份有限公司 一种新的岩石统计损伤本构模型的构建方法
US20190354889A1 (en) * 2017-08-16 2019-11-21 China University Of Petroleum (East China) Method of predicting failure probability of brittle material in high temperature creep state
CN111400922A (zh) * 2020-03-23 2020-07-10 南京航空航天大学 单向陶瓷基复合材料任意应变加卸载应力应变行为计算方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018107730A1 (zh) * 2016-12-16 2018-06-21 海口未来技术研究院 复合材料的疲劳寿命预测方法及预测系统
US20190354889A1 (en) * 2017-08-16 2019-11-21 China University Of Petroleum (East China) Method of predicting failure probability of brittle material in high temperature creep state
CN107633120A (zh) * 2017-09-07 2018-01-26 东南大学 一种纤维增强复合材料动态剪切本构模型的构建方法
US20200193074A1 (en) * 2017-09-07 2020-06-18 Southeast University Method of constructing dynamic shear constitutive model for fiber-reinforced composite material
CN108169040A (zh) * 2017-12-14 2018-06-15 中国人民解放军空军工程大学 一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法
CN108535121A (zh) * 2018-03-07 2018-09-14 华能澜沧江水电股份有限公司 一种新的岩石统计损伤本构模型的构建方法
CN111400922A (zh) * 2020-03-23 2020-07-10 南京航空航天大学 单向陶瓷基复合材料任意应变加卸载应力应变行为计算方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
赵家巍;苏腾;荣腾龙;钟江城;刘泽霖;王英;王毅颖;: "超高水充填材料侧限压缩应力应变本构关系研究", 采矿与安全工程学报, no. 02 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092258A (zh) * 2021-04-15 2021-07-09 奇瑞汽车股份有限公司 一种冷冲压成形金属零件用材逆向推导的方法
CN113707242A (zh) * 2021-08-25 2021-11-26 常州工学院 一种固体推进剂率相关内聚力本构模型的构建方法
CN113707242B (zh) * 2021-08-25 2024-01-23 常州工学院 一种固体推进剂率相关内聚力本构模型的构建方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112100806B (zh) 2023-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112100806A (zh) 一种表征复合材料本构曲线的获取方法
CN107908917B (zh) 一种高强板冲压成形回弹预测方法
CN109883825A (zh) 金属圆棒试样单轴拉伸大应变范围硬化曲线的测量方法
CN109933925B (zh) 一种金属板材的冲压成形性能预测方法
CN112051141B (zh) 一种复合材料应变率相关压缩本构模型的构建方法
CN113406524B (zh) 一种动力电池系统的不一致性故障诊断方法及系统
CN113868750B (zh) 基于深度机器学习的建筑地震损伤和剩余能力评价方法
CN111881564B (zh) 一种关于机械结构变幅疲劳寿命预测方法
Galimov et al. Experimental-theoretical method for determining mechanical characteristics of spherical films and membranes of complex structure
CN112580235A (zh) 一种金属结构高周疲劳起裂寿命的非线性估算方法
CN113053473A (zh) 聚合物粘结复合材料全阶段蠕变模型构建方法
CN109948216B (zh) 总应变能密度修正的缺口件低周疲劳预测方法
CN110543666B (zh) 一种带孔结构元件低周疲劳性能的试验方法
CN114547928A (zh) 一种基于主成分分析的缺陷形貌等效与寿命评估方法
CN109828548B (zh) 基于时间序列变化突变点检测的性能退化特征评估方法
CN110579399B (zh) 一种预测金属材料准静态单轴拉伸真实断裂应力的方法
CN109142358B (zh) 基于神经网络的金属材料力学性能测试方法
CN110618029A (zh) 极限载荷极短时间工况下滚珠丝杠副疲劳弹性寿命测试方法
CN110706761B (zh) 一种预估金属材料的疲劳强度退化的方法
CN113392593B (zh) 一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法
CN109829222A (zh) 一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法
CN111639391A (zh) 一种作业车车臂截面参数选用方法
CN114676587B (zh) 基于载荷谱相似性的疲劳寿命评估方法
CN114065576B (zh) 一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法
CN117113776A (zh) 光伏组件的数值模拟方法、模拟装置及电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant