(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111392762.7 (22)申请日 2021.11.23 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 朱信颖　徐凯龙　董泽民　刘璐璐　 罗刚　赵振华　陈伟　 (74)专利代理 机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人 张弛 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑基体非线性特征的树脂基复合材 料损伤预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑基体非线性特征的 树脂基复合材料损伤预测方法， 考虑纤维性能、 基体力学特征、 界面性能等因素对 材料力学性能 的影响。 其中基体力学特征通过设计的温度相关 的准静态力学试验以及动态力学试验获得。 基于 微观有限元模 型计算获得的材料性能参数， 结合 偏轴拉伸试验， 构建三维各向异性弹塑性渐进损 伤模型， 能够更加准确地描述了材料在机匣包容 过程中的失效行为， 提高了数值仿真分析的准确 性。 同时， 结合微观尺度有限元分析， 从组分材料 的性能出发， 能够考虑不同纤维体积含量以及纤 维分布的影 响， 并考虑纤维基体间的界面性能的 影响， 能够捕捉到微观结构的损伤情况。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 114139308 A 2022.03.04 CN 114139308 A 1.一种考虑基体非线性特征的树脂基复合材料损伤预测方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： (1)提供树脂基复合材料的试验件， 对该试验件进行准静态压缩试验以及动态压缩试 验； (2)基于步骤(1)中试验件的准静态、 动态压缩 的应力应变曲线， 拟合朱 ‑王‑唐等温非 线性粘弹性本构方程的参数； (3)创建碳纤维增强树脂基复合材料三维微观有限元模型， 该有限元模型包括基体 (100)以及分布在基体内部的纤维(200)， 在纤维(200)与基体(100)的界面插入界面单元 (300)； 纤维采用最大应力失效准则的横观各向同性模型表征； 纤维与基体的界面单元 (300)采用双线性内聚力本构模型表征； 所述基 体(100)为树脂基复合材 料的试验 件； (4)结合朱 ‑王‑唐等温非线性粘弹性本构方程及三维微观有限元模型， 对纤维、 基体以 及纤维与基 体的界面用相应的本构模型进行微观有限元分析； (5)提供单向板， 该单向板为树脂基复合材料加入纤维而成的碳纤维增强树脂基复合 材料单向板； 开展单向板的90 °横向拉伸以及横向压缩试验， 根据步骤(5)进行相应工况的 有限元仿真计算， 验证所建立的微观有限元模型； (6)创建三维各向异性弹塑性渐进损伤模型； 采用广义三维Hashin准则判定复合材料 在冲击过程中的面内损伤起始， 根据损伤演化方程进行材料刚度的渐进式折减； 采用基于 能量的双线性内聚力本构关系描述复合材 料的面外方向损伤； (7)采用步骤(6)建立的三维各向异性弹塑性渐进损伤模型， 输入步骤(5)获得的材料 在前述方向上的模量和强度值， 在 有限元软件ABA QUS中建立复合材料靶板高速冲击有限元 模型， 经计算获得靶板有限元模型的损伤形貌和弹体的剩余速度。 2.根据权利要求1所述的树脂基复合材料损伤预测方法， 其特征在于， 步骤(4)中， 采用 最大应力失效准则的横观各向同性模型： εf＝Sf(df):σf 其中εf为纤维的应变张量； σf为纤维的应力张量； Sf(df)为纤维的损伤柔度张量； df为纤 维损伤变量； 其矩阵表示 为： 其中Ef,1为纤维长度方向 的杨氏模 量， Ef,2为纤维横向 的杨氏模 量， Gf,12为纤维长度方向 的剪切模量， Gf,23为纤维横向的剪切模量， vf,12、 vf,23分别为纤维不同方向的泊松比；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114139308 A 2用于区分纤维拉压不同的破坏模式， 加载函数被定义 为： 其中为 为纤维1方向的拉伸强度， 为纤维1方向的压缩强度， 由 正负号决定； 随 着应力的不断加载， 加载函数φf的大小超过损伤阈值 “1”时， 损伤起始函数被激活； 双线性内聚力本构模型如下 所示： 其中dco为损伤变量； tn为正牵引力、 ts为平面剪切牵引力、 tt为反平面剪切牵引力， δn、 δs、 δt分别为前述tn、 ts、 tt牵引力方向的分离位移； 损伤准则如下： 其中 为为界面的拉伸强度、 为界面的平面剪切强度、 为界面的反平面剪切强度， 其中<σn>＝max(0, σn)； σn为当前作用在 界面层上 的正应力、 τs为当前作用在 界面层上的平 面剪应力、 τt为当前作用在界面层上的反平面剪应力； 采用基于能量的B ‑K混合模式演化准 则来考虑三种不同断裂模式对界面损伤演化的综合作用： 其中GIc为I型层间断裂能、 GIIc为II型层间断裂能、 η为B ‑K模型参数； GI为当前I型和能 量释放率、 GII为当前II型能量释放 率； Gc为总的断裂能。 3.根据权利要求1或2所述的树脂基复合材料损伤预测方法， 其特征在于， 步骤(4)中， 对建立的微观有限元模 型施加周期性边界条件， 然后在X、 Y、 Z、 XY、 XZ、 YZ方向上对模 型施加 位移载荷， 直至模型失效， 获得相应方向的应力应 变曲线， 从曲线上提取模量E与强度S。 4.根据权利要求3所述的树脂基复合材料损伤预测方法， 其特征在于， 步骤(6)中， 将碳 纤维增强树脂基复合材 料单向板视作一个整体， 其本构关系可以表示 为： ε＝D(Se+Sp)σ 其中， Se为弹性柔度矩阵， Sp为塑性柔度矩阵， D为损伤 矩阵。 5.根据权利要求4所述的树脂基复合材料损伤预测方法， 其特征在于， 步骤(7)中， 采用 步骤(6)建立的三维各向异性弹塑性渐进损伤模型， 输入步骤(4)获得的材料在X方向的模 量E1和强度值XT、 XC， Y方向的模量E2和强度值YT， Z方向的模量E3和强度值SFC， XY方向的模量 G12和强度值S12， XZ方向的模量G13和强度值SFS， YZ方向的模量G23和强度值S23； 以及步骤(5) 中输入的界面材料参数Kn， Ks， Kt， GIc， GIIc， 在有限元软件ABAQUS中建立复合材 料靶板高速冲击有限元模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114139308 A 3