(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 202111290207.3 (22)申请日 2021.11.02 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510630 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 关康　龚振远　饶平根　曾庆丰　 刘建涛　 (74)专利代理 机构 深圳紫晴专利代理事务所 (普通合伙) 44646 代理人 郭清秀 (51)Int.Cl. G06F 30/10(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明公开了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， 具体涉及复合材 料力学性能测试领域。 本发明通过建立了含有不 同三维几何结构特征界面相结构的复合材料模 型； 在模拟软件ABAQUS中， 通过准静态力学法采 用显示分析步计算三维裂纹仿真从而解决收敛 难度较大的问题； 施加载荷后， 获得模型的界面 相的SDEG云图与损伤参数SDEG值并通过平均化 处理， 进一步原位定量分析具有不同三维几何特 征的界面相在复合材料中力学性能的表现； 本发 明从模拟的角度， 考虑到了界面相结构的三维几 何特征影响， 采用SDEG值原位定量分析界面相力 学性能， 对 具有界面相结构的复合材料的优化设 计有着重要的指导 意义。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 114329658 A 2022.04.12 CN 114329658 A 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： tn,ts,tt； 相对 应的位移量记为 δn, δs, δt； 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： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114329658 A 2其中， tn为法向应力， ts、 tt为两个切向应力， δn为法向应变， δs、 δt为两个切向应变， Kij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+EV+EFD+EKE‑EW＝ETOT＝cons tan t 其中E1为内能； EV为粘性机制耗散的能量； EFD为摩擦耗散的能量； EKE为动能； EW为外力 功； ETOT为系统的总能量； 为确保获得合理的准静态分析 过程， EKE只能占据E1的1％‑5％。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114329658 A 3