(19)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 202211077732.1 (22)申请日 2022.09.05 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正 街174号 (72)发明人 龚愉　蒋林飞　夏开心　姚建尧　 张建宇　 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种碳纤维增强复合材料层板II型层间断 裂韧性的预测方法 (57)摘要 本发明涉及一种碳纤维增强复合材料层板 II型层间断裂韧性的预测方法， 包括以下步骤： (1)设计制造具有不同界面角度的复合材料试 样； (2)采用端部缺口弯曲装置开展分层试验， 获 得II型断裂韧性； (3)建立有限元模型， 采用奇异 性单元捕获裂尖应力场； 编写用户子程序， 计算 不同界面试样的裂尖损伤区， 基于损伤区宽度大 小和裂尖应力场分析， 建立以界面角度为自变量 的II型断裂韧性模型； (4)将0 °/0°界面断裂韧性 GIIC(0°,0°)和0°/90°界面断裂韧性GIIC(0°,90°) 代入模型， 得到模型参数B1和B2； (5)利用断裂韧 性模型， 预测其他θ1/θ2界面试样的II型断裂 韧性。 本发 明通过对碳纤维增强复合材料层板典 型界面的断裂韧性测试， 预测任意其他界面试样 的II型断裂韧性， 便于工程应用， 并可降低试验 成本。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115410669 A 2022.11.29 CN 115410669 A 1.一种碳纤维增强复合材料层板II型层间断裂韧性的预测方法， 其特征在于包括以下 步骤： 步骤1， 设计制造具有0 °/0°、 22.5°/‑22.5°、 45°/‑45°、 90°/90°、 0°/45°、 0°/90°分层界 面的碳纤维增强复合材 料层板试样； 所述步骤1的碳纤维增强复合材料层板可以是不同材料体系， 如T300、 T700、 T800、 T1000与不同树脂结合的单向带 预浸料制成的； 步骤2， 对上述复合材料层板试样， 采用端部缺口弯曲(ENF)装置开展II分层试验， 利用 梁理论处 理实验记录的载荷、 位移和分层长度数据， 获得I I型层间断裂韧性的试验值； 所述步骤2中I I型层间断裂韧性的具体 计算公式为： 其中， P和 δ分别是对试样施加的载荷与位移， a和B分别是试样的有效分层长度和宽度， L是跨距； 步骤3， 采用ABAQUS软件建立ENF试验的三维有限元模型， 裂尖采用奇异性单元以准确 捕获裂尖应力场； 编写用户自定义子程序， 定义材料失效准则， 获得不同界面角度铺层试样 的裂尖损伤区， 基于损伤区大小和和 裂纹尖端应力场分析， 提出复合材料层板II型断裂韧 性的理论模型； 所述步骤3采用修正的最大应力失效准则评估裂纹尖端的损伤区； 根据修正的最大应 力失效准则， 考虑到复合材料层板的横观各向同性， 基体开裂由遵循莫尔圆理论的最大主 应力决定， 最大主应力 和基体开裂角度 分别表示 为： 其中， σ22、 σ23、 σ33是单层横向面内主轴坐标系下的应力分量； 根据 修正的最大应力失效 准则， 当最大主应力超过单向层板的平面内剪切强度时， 相 邻层板内的基体开裂， 且基体开 裂角度垂直于最大主应力方向； 为评定分层中临近分层 界面铺层的损伤深度， 选定满足能 量释放率等于 分层断裂韧性时的数值计算步为 “基准时刻 ”； 因此评估分层 扩展过程中临近 分层界面铺 层损伤的准则可表示 为： 其中， f是层内损伤的失效指数， 是层板的面内就位剪切强度； 修正后的最大应力破 坏准则通过用户子程序UV ARM在ABAQUS中实现， 失效指数f被定义 为单元输出量； 所述步骤3将任意界面多向层板的II型分层断裂韧性分为三个部分： 一部分是界面无 关的断裂功， 第二部分是与界面相邻两个铺层相关的基体损伤， 第三部分是这两个铺层的 交互作用造成的基体损伤； 在II型载荷下， 垂直于纤维方向的面内应力将导致层内损伤和权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115410669 A 2横向开裂， 该应力是一个与界面角度相关的正弦函数； 基于损伤 区宽度大小和裂纹尖端应 力场分析， 提出复合材 料层板II型断裂韧性的理论模型， 理论模型的具体表达式如下： GIIC( θ1, θ2)＝G0+B1(sin| θ1|+sin| θ2|)+B2sin(2| θ1+θ2|) 其中， GIIC( θ1, θ2)代表任意具有θ1/θ2界面试样的II型断裂韧性， G0的值等于0 °/0°界面 试样断裂韧性GIIC(0°,0°)， B1和B2为模型参数； 该模型为层板任意分层界面角度情形下II型 断裂韧性的解析公式， 该公式以临近分层界面铺层的角度为自变量， 可充分反映II型断裂 韧性的分层界面角度依赖性； 步骤4， 将试验获得的0 °/0°界面试样断裂韧 性GIIC(0°,0°)和0°/90°界面试样断裂韧 性 GIIC(0°,90°)代入理论模型， 计算得到模型参数B1和B2； 步骤5， 利用获得的B1和B2数据， 以及上述步骤3的复合材料层板II型断裂韧性理论模 型， 预测任意其他θ1/θ2界面试样的II 型断裂韧性， 通 过对比预测值与试验结果， 验 证理论模 型的有效性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115410669 A 3