各向異性複合材料三維非線性本構行為的實驗研究

《各向異性複合材料三維非線性本構行為的實驗研究》是依託北京理工大學，由劉劉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：各向異性複合材料三維非線性本構行為的實驗研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：劉劉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

複合材料具有高度各向異性，明顯的物理非線性，拉、壓彈性模量不同的特點。材料主方向不同應力分量之間存在非線性耦合，且耦合行為在高應力水平時表現突出。針對複合材料複雜的本構行為，本項目旨在發展一套實驗方法，通過最少量試驗建立正交各向異性複合材料精確的完整三維非線性本構關係，該本構關係能夠描述和表征不同失效模式下材料複雜應力條件下的本構行為，材料主方向不同應力分量之間的非線性耦合行為。本構模型的建立過程中不依賴任何材料本構相關的初始假設，通過彈性應變能密度函式推導本構的一般表達形式，利用全場變形測試系統提供完整充分的實測應變數據，採用高精度非線性實體有限元修正技術和最佳化方法建立材料非線性本構關係。本項目的實施對減少試驗，提高結構仿真可靠性，理解複合材料複雜的變形機理，完善強度準則，揭示複合材料缺陷與本構性能的相關性具有重要意義。本項目可在複合材料三維本構關係的表征和實驗技術方面形成原創性成果。

結題摘要

複合材料具有高度各向異性，明顯的物理非線性，拉、壓彈性模量不同的特點。材料主方向不同應力分量之間可能存在非線性耦合，耦合行為在高應力水平時表現突出。採用全場變形測量技術，開展複合材料完整三維本構行為研究對針對複合材料複雜的本構行為，對減少試驗，提高結構仿真可靠性，理解複合材料複雜的變形機理，完善強度準則，揭示複合材料缺陷與本構性能的相關性具有重要意義。本項目的實施過程中發展完善了一套針對正交各向異性複合材料的短梁剪下實驗方法，實現了通過少量實驗建立複合材料完整三維非線性本構關係，該本構關係能夠描述和表征不同失效模式下材料複雜應力條件下的本構行為。由於實驗方案中結構近似靜定結構，有限元模型修正中的應力不依賴材料本構性能參數，因此本構模型的建立過程不依賴任何材料力學性能相關的初始假設，最佳化過程對材料本構參數初始假設不敏感。研究過程討論了數字圖像相關技術（DIC）中噪聲隨機誤差和重構系統誤差對本構參數的影響，提出位移場和應變場重構系統誤差對材料本構參數識別具有至關重要的影響，但由於數字圖像相關技術中採用子區搜尋法，無法確定位移場和應變場的最優重構參數，因此針對採用有限元模型修正或虛場方法識別材料本構行為的研究，採用自適應最優連續的位移場參數（確定最優形函式和單元數量），發展高效高精度全場DIC對該實驗方法與虛場法或者有限元模型更新等結合識別本構參數至關重要。該測試方法和流程可推廣到其他具有複雜微結構材料的本構行為研究中，通過彈性應變能密度函式推導本構的一般表達形式，利用面內全場變形測試系統提供完整的實測應變數據，採用有限元修正技術和最佳化方法建立材料非線性本構關係。本項目在複合材料三維本構關係的表征和實驗技術方面形成了部分原創性成果，並已經部分推廣用於不同體系的複合材料本構參數識別中。