[发明专利]含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法

权利要求书

1.含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法，其特征在于：具体检测评估如下：

S1：建立具有三维几何结构界面相复合材料代表性体积元模型；

S2：为模型布置全局网格种子点，划分网格，建立覆盖全模型零厚度内聚力单元；

通过软件Abaqus的全局种子点划分功能，为模型布置合适的全局种子点，并划分网格；为实现任意裂纹扩展，基于Abaqus二次开发接口，将已划分好网格的模型生成覆盖全模型的零厚度内聚力单元；内聚力模型是以应力-位移曲线的概念提出的，常见的内聚力单元模型的应力-位移曲线为双线性模型；裂纹尖端前部介于裂纹张开区域和未发生损伤的线弹性固体区域之间，该区域的材料因局部损伤和断裂而具有非线性特点；在内聚力单元损伤起始和演化前，单元服从线弹性关系；弹性关系用界面处的名义应力与名义应变的弹性本构矩阵的形式表示；

S3：输入材料力学参数并施加载荷,赋予正确的网格类型,并采用准静态分析进行模拟拉伸测试；

利用Abaqus软件进行仿真分析，输入合理的复合材料力学参数，施加载荷；为内聚力单元与实体单元赋予正确的网格类型；模拟三维模型拉伸断裂测试，采用准静态分析，使用显式分析步；显式动力学的基本运动方程定义为：

其中M时质量矩阵，是结构的加速度，I是结构中的内力，P为所施加的外力；该公式表述的是牛顿第二运动定律；在显式动力学中，I不仅包括了结构的内力，也包括了源于运动如阻尼和结构变形的贡献；属于无阻尼系统，即I＝Ku，因此式写为：

其中K为材料的刚度矩阵，u为节点位移矢量；

S4：界面相力学性能评估：采用SDEG值评估界面相在复合材料中的力学行为影响；在ABAQUS后处理模块中，获得界面内聚力单元的SDEG云图，通过Abaqus软件自带的数据输出功能，输出界面相内聚力单元的SDEG值，并作出平均化处理，用来表征界面相的损伤情况，定量分析界面相对裂纹偏转的影响。

2.根据权利要求1所述的含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法，其特征在于：所述步骤S1中建立含有不同几何特征的界面相结构的三维复合材料代表性体积元几何模型，从外侧到最内侧依次是：基体、中间相和纤维。

3.根据权利要求1所述的含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法，其特征在于：所述步骤S2在内聚力单元中，名义应力矢量t由三个分量组成：t_n,t_s,t_t；相对应的位移量记为δ_n,δ_s,δ_t；内聚力单元的原始厚度记为T0，名义应变定义为：

线弹性本构方程矩阵形式写成：

其中，t_n为法向应力，t_s、t_t为两个切向应力，δ_n为法向应变，δ_s、δ_t为两个切向应变，K_ij为刚度矩阵。

4.根据权利要求3所述的含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法，其特征在于：所述步骤S2中的内聚力单元当应力或者应变满足损伤起始准则的时候，损伤起始发生，采用二次名义应力准则，假设损伤起始于名义应力的二次函数达到1，其定义为：

其中，分别代表当变形是纯法向、纯剪切1方向和纯剪切2方向时名义应力的峰值。

5.根据权利要求4所述的含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法，其特征在于：所述步骤S2中当内聚力单元的应力状态满足损伤起始准则后，单元就将发生损伤，然后进入损伤演化阶段；采用线性衰减演化；针对内聚力单元的演化，损伤变量D，将用来表示材料中整体损伤和各种机制的联合作用；D的初始值为0，当内聚力单元发生损伤，进入损伤演化阶段，损伤变量D随着载荷的加载从0到1单调增加；当D达到1时，单元完全失效，失去承载能力；于是损伤演化过程中，应力表达式为：

其中，对于法向方向压缩载荷的情况，不考虑损伤演化过程，即此时D＝0。

6.根据权利要求1所述的含界面结构复合材料界面相的力学性能三维仿真评估方法，其特征在于：所述步骤S3中能量平衡方程有助于评估准静态分析的合理性，在Abaqus/Explicit中，能量平衡写为：

E₁+E_V+E_FD+E_KE-E_W＝E_TOT＝cons tan t

其中E₁为内能；E_V为粘性机制耗散的能量；E_FD为摩擦耗散的能量；E_KE为动能；E_W为外力功；E_TOT为系统的总能量；

为确保获得合理的准静态分析过程，E_KE只能占据E₁的1％-5％。