[发明专利]一种复合材料应变率相关压缩本构模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种复合材料应变率相关压缩本构模型的构建方法，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.完成复合材料在多种应变率下的压缩试验，得到各种应变率下的压缩应力‑应变曲线；2.推导出待拟合复合材料压缩本构模型；3.拟合得到每条压缩应力‑应变曲线所对应的复合材料压缩本构模型的参数值；4.获得复合材料压缩本构模型的各个参数值随应变率变化的函数表达式；5.将所求的函数表达式带入待拟合复合材料压缩本构模型中得到复合材料应变率相关压缩本构模型。本发明能够较为准确地获得复合材料应变率相关压缩本构模型，为复合材料结构在冲击、振动以及噪声等动态加载工况下的高保真数值仿真计算奠定基础。

技术领域

本发明属于复合材料力学性能研究技术领域，具体涉及一种复合材料应变率相关压缩本构模型的构建方法。

背景技术

复合材料广泛应用于航空航天、汽车以及新能源等各个领域，如飞机的机身和机翼、风力发电机的叶片等。然而在运输、安装以及服役过程中，不可避免地会产生振动、噪声以及冲击等动态加载工况。现有研究表明复合材料具有应变率效应，即随着加载速率的变化材料的力学性能发生改变，其中本构关系是最为重要的力学性能之一。目前关于复合材料应变率相关本构模型的研究主要有两种方法：

方法一：直接将金属的Johnson-Cook应变率相关本构模型引入复合材料中，然而对于大多数复合材料主要表现出脆性失效特征，与金属材料普遍具有的塑性失效特征有较大差别，该应变率相关本构模型应用于复合材料表征效果较差。

方法二：采用粘弹性本构模型与损伤模型结合构建应变率相关本构模型，该方法在复合材料失效前的损伤阶段能够较好地表征复合材料的应变率相关本构关系，但是对于失效后的退化阶段，其表征效果较差。

目前科学研究和工程应用中急需一种能够较好表征复合材料动态本构的应变率相关本构模型。

发明内容

本发明提供了一种复合材料应变率相关压缩本构模型的构建方法，优点在于通过该方法获得的复合材料应变率相关压缩本构模型能够较好地表征复合材料在不同应变率下的本构关系，为复合材料结构在振动、噪声以及冲击等动态加载工况下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：

一种复合材料应变率相关压缩本构模型的构建方法，包括以下步骤：

完成复合材料在多种应变率下的压缩试验，得到各种应变率下的压缩应力-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压缩本构模型；

根据所述压缩应力-应变曲线采用最小二乘法拟合复合材料压缩本构模型，获得每条压缩应力-应变曲线所对应的复合材料压缩本构模型的参数值；

将所述参数值采用二次函数进行最小二乘法拟合获得复合材料压缩本构模型的各个参数值随应变率变化的函数表达式；

将所述函数表达式带入待拟合复合材料压缩本构模型中得到复合材料应变率相关压缩本构模型。

进一步的，所述压缩试验操作如下：在电子万能试验机上完成准静态压缩实验和低应变率压缩试验；在高速试验机上完成中应变率压缩试验；在霍普金森压杆或者落槌冲击试验系统上完成高应变率压缩试验；其中每种应变率下有效试验次数不小于5次，实验过程中记录复合材料的压缩应力-应变曲线。

进一步的，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压缩本构模型的具体步骤如下：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；其中，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与压缩试验测得数据一致；待拟合复合材料压缩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压缩本构模型表示如下：