纤维增强复合材料多模式内聚断裂的相场模型

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.222

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (3): 301-308 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.222

机械设计理论与方法

纤维增强复合材料多模式内聚断裂的相场模型

粟海波¹(

),陈波潓¹,吴熙^2,³,王亮¹(

)

^1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240
^2.浙大城市学院工程学院，浙江杭州 310015
^3.城市基础设施智能化浙江省工程研究中心，浙江杭州 310015

Phase-field model for multi-pattern cohesive fracture in fiber reinforced composite material

Haibo SU¹(

),Bohui CHEN¹,Xi WU^2,³,Liang WANG¹(

)

^1.School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
^2.School of Engineering, Hangzhou City University, Hangzhou 310015, China
^3.Zhejiang Engineering Research Center of Intelligent Urban Infrastructure, Hangzhou 310015, China

全文: PDF(1761 KB) HTML

摘要：

经典的断裂相场法是基于脆性断裂理论建立的变分方法，因此其无法准确描述复合材料的准脆性断裂行为。基于此，提出了一种多相场模型来描述纤维增强复合材料的多模式内聚断裂行为。通过对各向异性相场驱动力和损伤本构关系的合理定义，提出了一种混合型内聚断裂相场模型，并通过推导得到了相应的演化方程与强度准则。采用该模型进行了3种复合材料板的裂纹扩展及失效仿真，结果表明，所提出的多相场模型能够有效模拟复合材料的多模式内聚断裂行为，具有较高的应用价值。

关键词： 复合材料; 相场模拟; 内聚断裂; 失效机理

Abstract:

The classical fracture phase-field model is a variational method based on brittle fracture theory, which cannot accurately characterize the quasi-brittle fracture behavior of composite material. Based on this, a multi-phase-field model was proposed to describe the multi-pattern cohesive fracture behavior of fiber reinforced composites material. A hybrid cohesive fracture phase-field model was proposed by reasonably defining the phase-field driving force and the damage constitutive relationship for the anisotropic material, and the corresponding evolution equation and strength criterion were derived. The model was used to simulate the crack propagation and failure of three kinds of composite plates. The results showed that the proposed multi-phase-field model could effectively simulate the multi-pattern cohesive fracture behavior of composite material, and had high application value.

Key words: composite materials phase-field modeling cohesive fracture failure mechanism

收稿日期: 2023-12-13 出版日期: 2024-06-27

CLC:

TB 332

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(12102256);城市基础设施智能化浙江省工程研究中心开放基金资助项目(IUI2023-YB-07)

通讯作者: 王亮 E-mail: Harbour@sjtu.edu.cn;wang_liang@sjtu.edu.cn

作者简介: 粟海波（1999—），男，四川成都人，硕士生，从事复合材料相场模拟研究，E-mail: Harbour@sjtu.edu.cn

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引用本文:

粟海波,陈波潓,吴熙,王亮. 纤维增强复合材料多模式内聚断裂的相场模型[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 301-308.

Haibo SU,Bohui CHEN,Xi WU,Liang WANG. Phase-field model for multi-pattern cohesive fracture in fiber reinforced composite material[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 301-308.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.222 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/301

图1 固体域内纤维和基体裂纹示意

图2 单边缝复合材料开口板几何尺寸及开口位置示意

表1 复合材料HTA/6376的特性参数

图3 单边缝复合材料开口板裂纹

图4 单边裂缝复合材料开口板位移—载荷试验曲线

图5 含缺口变角度单层复合板的几何尺寸及边界条件示意

表2 复合板材料IM7/8552的特性参数

图6 [0°/-22.5°/0°/22.5°]铺层复合板的裂纹扩展过程

图7 [0°/0°/-22.5°/22.5°]和[0°/0°/-30°/-30°] 铺层复合板失效模式

图8 开孔复合材料层合板的几何尺寸及边界条件示意

表3 层合板材料IM7/855的特性常数

图9 [0°/90°] 开孔复合材料层合板的失效模式

图10 [0°/-45°] 和 [90°/45°]开孔复合材料层合板的多重失效模式

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