王 朝，常新龍，張有宏，張 磊，陳向東

(火箭軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程系，西安 710025)

2017-04-17；

2017-06-01。

國(guó)家自然科學(xué)基金(11302249)。

王朝(1992—)，男，碩士生，研究方向?yàn)槭锢砼c可靠性 。E-mail：2698963107@qq.com

基于數(shù)字圖像相關(guān)法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效分析

王 朝，常新龍，張有宏，張 磊，陳向東

(火箭軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程系，西安 710025)

針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料失效機(jī)理復(fù)雜的問(wèn)題，采用數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)拉伸試驗(yàn)中的復(fù)合材料表面位移進(jìn)行數(shù)字化處理，建立了基于Hashin改進(jìn)準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比試驗(yàn)和仿真結(jié)果，分析試件的失效過(guò)程和機(jī)理。運(yùn)用蒙特卡洛方法和有限元法，討論并分析影響結(jié)果精度的因素。結(jié)果表明，數(shù)字圖像相關(guān)法能夠用于觀察和分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程；基于Hashin改進(jìn)準(zhǔn)則的仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果一致，可以作為進(jìn)一步細(xì)觀力學(xué)分析的基礎(chǔ)；相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，縱向拉伸強(qiáng)度對(duì)結(jié)果精度的影響更大。該結(jié)果可為復(fù)合材料可靠性分析提供理論參考。

數(shù)字圖像相關(guān)法；復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)模型；可靠性分析；失效

0 引言

復(fù)合材料以抗腐蝕性能好、耐熱性能優(yōu)異、比剛度和比強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空、航天領(lǐng)域[1-2]。同時(shí)，也因復(fù)合材料性能對(duì)于制作工藝的依賴性，材料與結(jié)構(gòu)的同一性等特點(diǎn)，導(dǎo)致復(fù)合材料失效過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估造成較大影響。因此，研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效過(guò)程和失效機(jī)理顯得尤為重要。

目前，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效過(guò)程的研究，大多采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式[3-5]。景釗等[4]建立壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)復(fù)合材料疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，但所采用的樣本過(guò)少，模型精度有待驗(yàn)證；樊鈺等[5]對(duì)纖維材料和基體材料的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，但是未涉及具體結(jié)構(gòu)的變化。現(xiàn)有的研究對(duì)于層合板的具體失效機(jī)理涉及較少，尤其是試驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化情況也需要作深入研究，而數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital image correlation，簡(jiǎn)稱DIC)作為一種新型的測(cè)量方法，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)表面全場(chǎng)位移和應(yīng)變進(jìn)行分析，可通過(guò)研究試件的應(yīng)變場(chǎng)變化來(lái)分析失效過(guò)程。

針對(duì)炭纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程和失效機(jī)理研究，本文采用數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化處理，觀測(cè)和記錄試件拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變?cè)茍D；分析失效機(jī)理，建立基于Hashin改進(jìn)準(zhǔn)則的拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)照試驗(yàn)結(jié)果分析試件的失效過(guò)程；基于所建立的模型，運(yùn)用蒙特卡洛抽樣方法研究影響結(jié)果精度的因素，為下一步將該方法應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性分析等更廣泛的領(lǐng)域提供參考依據(jù)。

1 基本原理

1.1 復(fù)合材料基本力學(xué)方程

細(xì)觀應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

σ=C×ε

(1)

式中C為材料剛度矩陣。

宏細(xì)觀參數(shù)的關(guān)系：

已有大量工作研究了該方程的求解[6-8]，本文不再對(duì)過(guò)程進(jìn)行贅述，只將結(jié)果介紹如下：

(2)

式中σ0為宏觀應(yīng)力；R為纖維半徑；θ為圓心角；C(β,γ)為宏細(xì)觀剛度矩陣；Am(β,γ)為與細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)以及子單元材料剛度相關(guān)的子矩陣；ε(β,γ)為細(xì)觀應(yīng)變矩陣。

1.2 Hashin改進(jìn)準(zhǔn)則

在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中，復(fù)合材料試件會(huì)產(chǎn)生基體破壞、分層和纖維斷裂等損傷，現(xiàn)有的仿真計(jì)算大多是以Tsai-Hill準(zhǔn)則、Tsai-Wu準(zhǔn)則等為基礎(chǔ)開(kāi)展的，無(wú)法詳細(xì)分析上述損傷過(guò)程，而Hashin準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確表示這些損傷過(guò)程。但目前采用的Hashin準(zhǔn)則在進(jìn)行損傷變量計(jì)算時(shí)，所采用的唯象法無(wú)法表征和計(jì)算材料分散性，使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程的損傷變化不連續(xù)。

考慮將參數(shù)的威布爾分布引入材料的損傷過(guò)程中，損傷過(guò)程可以由退化系數(shù)表示，由文獻(xiàn)[9]可知，在考慮威布爾分布后，其表達(dá)式為

(3)

式中m為威布爾分布的形狀參數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)；ε為拉伸過(guò)程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)變；εf為材料的失效應(yīng)變；Γ為伽馬函數(shù)。

改進(jìn)后的Hashin準(zhǔn)則如表1所示。

失效模式損傷參數(shù)退化系數(shù)纖維斷裂σ11Xd1()2=e2f where:σ11≥0,X=XTσ11<0,X=XC{d1=exp-1^mfe{Γ(1+1^mf)}^mf(ef)^mfé?êêêù?úúú纖維剪切損傷σ11Xd1()2+∫0γ12σ12dγ12∫0γn12σ12dγ12?è?????÷÷÷=e2s12d2=exp-1^mse{Γ(1+1^ms)}^ms(es12)^msé?êêêù?úúú基體剪切損傷σ11Xd1()2+∫0γ13σ13dγ13∫0γn13σ13dγ13?è?????÷÷÷=e2s13d3=exp-1^mse{Γ(1+1^ms)}^ms(es13)^msé?êêêù?úúú基體損傷(σ22≥0)σ22YTd2()2+W=e2m基體損傷(σ22<0)σ22YCd2YCd22S23d4()2-1[]+σ222S23d4()2+W=e2md4=exp-1^mme{Γ(1+1^mm)}^mm(em)^mmé?êêêù?úúú

在以上各式中W計(jì)算公式為

(4)

由文獻(xiàn)[10]可知，在對(duì)失效模式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須考慮耦合作用影響。出于簡(jiǎn)化模型的考慮，本文認(rèn)為損傷是不可逆過(guò)程。因此，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，第n+1步的退化系數(shù)應(yīng)取n和n+1步之間的最小值，即

1.3 數(shù)字圖像相關(guān)法

數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation，簡(jiǎn)稱DIC)，又稱數(shù)字散斑相關(guān)法(Digital Speckle Correlation Method，簡(jiǎn)稱DSCM)，主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域。

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)是圖像處理、技術(shù)識(shí)別和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，通過(guò)將物體表面隨機(jī)分布的斑點(diǎn)作為變形載體，利用相關(guān)算法進(jìn)行圖像處理后得到變形信息，研究和分析結(jié)構(gòu)表面在外載荷或其他因素作用下的全場(chǎng)位移和應(yīng)變。DIC測(cè)量系統(tǒng)一般由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成，該系統(tǒng)測(cè)量范圍廣且自動(dòng)化程度高。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件拉伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參考GB/T 3354—2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用環(huán)氧樹(shù)脂和T700炭纖維制備試驗(yàn)所用復(fù)合材料的試件，由參考文獻(xiàn)[10]可知，該材料屬性如表2所示，試件尺寸為250 mm×25 mm×2 mm，按照[±62/02/62/0]s的順序進(jìn)行鋪設(shè)。試驗(yàn)時(shí)采用環(huán)氧樹(shù)脂鋁制加強(qiáng)片，來(lái)保證試件端部不受損傷。

采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，運(yùn)用攝像機(jī)檢測(cè)試件表面位移變化。測(cè)試系統(tǒng)所用的傳感器是CMOS攝像機(jī)，應(yīng)用ARAMIS進(jìn)行圖像后處理，得到應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用DIC得到試件表面應(yīng)變場(chǎng)，選取其中一次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。圖1顯示了拉伸試驗(yàn)中試件表面應(yīng)變變化情況。

復(fù)合強(qiáng)度參數(shù)取值尺度形狀復(fù)合模量參數(shù)取值內(nèi)聚性能參數(shù)取值XT/MPa248021.8E1/GPa123.4t1/MPa32.4XC/MPa951.414.6E2/GPa9.27t2/MPa68.8YT/MPa32.422.6ν120.31t3/MPa68.6YC/MPa137.710.5G12/GPa3.8GⅠC/(N/m)425S12、S13/MPa77.520.0G13/GPa3.8GⅡC/(N/m)1030S23/MPa68.640.0G23/GPa3.2GⅢC/(N/m)1030

由圖1(a)可知，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，試件表面應(yīng)變率較為均勻，在0.1%左右；在平均應(yīng)變率達(dá)到0.54%時(shí)，試件表面62°鋪層沿纖維方向產(chǎn)生明顯應(yīng)變率變化，最大應(yīng)變率接近0.9%，此時(shí)發(fā)生初次破壞，如圖1(b)所示。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，試件兩端位移最大，由于第一層與第二層鋪層角度相反，相對(duì)的位移導(dǎo)致兩端的層間剪切力最大，在拉伸載荷共同作用下，試件兩端位置最先沿著拉伸方向發(fā)生基體破壞和輕微纖維斷裂破壞。在試件平均應(yīng)變率達(dá)到1.68%時(shí)，試件中部的應(yīng)變率發(fā)生明顯突變，達(dá)到2.2%，此處產(chǎn)生二次破壞。由圖1(c)可知，此時(shí)試件受力結(jié)構(gòu)主要是0°方向鋪層，因此主要失效模式是纖維斷裂?！?2°鋪層在層間作用力下，隨著0°鋪層形變而發(fā)生進(jìn)一步破壞，二次破壞發(fā)生位置在試件中間位置。此后，主要由±62°鋪層未斷裂的纖維承受外部載荷，但是纖維方向與外部載荷方向并不一致，很快就因斷裂而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。應(yīng)變率達(dá)到1.82%時(shí)，試件結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，由圖1(d)可看出，纖維完全發(fā)生斷裂，試件徹底失效。

試件受到破壞時(shí)的失效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，該批樣品失效應(yīng)力分布較為分散，主要位于[1050 MPa，1160 MPa]區(qū)間內(nèi)，平均值是1110 MPa，失效應(yīng)變分布與應(yīng)力分布較為一致，主要位于區(qū)間[1.72%，1.83%]，平均值是1.78%。由結(jié)果可知，應(yīng)力和應(yīng)變相關(guān)性較好。

3 拉伸試驗(yàn)仿真分析

由于DIC只能處理試件表面應(yīng)變場(chǎng)，無(wú)法將內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行數(shù)字化處理，所以為了更加細(xì)致地分析結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理，同時(shí)與DIC結(jié)果形成對(duì)比，運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 有限元模型的建立

在仿真建模時(shí)做如下假設(shè)：在結(jié)構(gòu)試件成型前后，纖維和基體的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能等均不發(fā)生明顯變化，各層面之間粘接良好，且沒(méi)有缺陷；在試件受到拉伸載荷作用時(shí)僅產(chǎn)生線彈性變化，試件中的殘余應(yīng)力和試驗(yàn)過(guò)程中的干擾因素對(duì)試驗(yàn)影響忽略不計(jì)。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件依據(jù)表2賦予材料屬性，有限元模型共分12個(gè)鋪層，采取對(duì)稱鋪層的方式排布，采用Abaqus仿真軟件中的cohesive單元模擬試驗(yàn)時(shí)試件出現(xiàn)的分層損傷。

3.2 仿真結(jié)果分析與研究

對(duì)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件的參數(shù)變化過(guò)程。由于DIC主要是處理得到應(yīng)變?cè)茍D，為便于對(duì)比分析，所有參數(shù)均以應(yīng)變率為自變量。對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線、纖維失效和基體失效隨應(yīng)變變化曲線等。

(1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析和處理后，其平均曲線如圖3實(shí)線所示。

由圖3可知，層合板結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變仿真曲線與真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比一致性較好，特別是在應(yīng)變率小于0.55%時(shí)，仿真曲線和試驗(yàn)結(jié)果完全重合，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，此時(shí)層合板并未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)應(yīng)變率為0.55%時(shí)，兩條曲線斜率均有明顯下降，這是由于此處層合板發(fā)生拉伸破壞，仿真模型的剛度矩陣和材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生退化。當(dāng)應(yīng)變率大于0.55%后，曲線基本走勢(shì)一致但是未能完全吻合，仿真曲線斜率大于試驗(yàn)曲線。

分析可知，本文所用的剛度退化矩陣是自行設(shè)定，與試驗(yàn)過(guò)程中材料損傷情況有一定出入，導(dǎo)致曲線結(jié)果不完全一致；當(dāng)應(yīng)變率大于1.71%時(shí)，試件結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重但仍未完全失效，試驗(yàn)曲線斜率變小，直至應(yīng)變率大于1.78%時(shí)，曲線才呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，而在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，所設(shè)定的剛度矩陣在應(yīng)變率達(dá)到1.73%時(shí)已完全退化，無(wú)法繼續(xù)計(jì)算，曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。雖然試驗(yàn)應(yīng)變率大于仿真應(yīng)變，但拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試件的損傷更復(fù)雜，參數(shù)退化更嚴(yán)重，因此由仿真計(jì)算得到的失效應(yīng)力1198 MPa大于試驗(yàn)得到的失效應(yīng)力平均值1103 MPa。

(2)纖維失效與基體失效隨應(yīng)變率變化曲線分析

由于在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，采用的是對(duì)稱鋪層的方式建立模型，因此對(duì)稱鋪層的纖維失效和基體失效情況完全相同，結(jié)果圖4所示。Hashin準(zhǔn)則的退化系數(shù)并不完全表示結(jié)構(gòu)失效情況，但在一定程度上可反應(yīng)各成分的損傷情況，基于此本文對(duì)拉伸試驗(yàn)中各結(jié)構(gòu)變化過(guò)程分析如下。

對(duì)比圖4可知，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，0°鋪層的破壞方式是纖維斷裂， ±62°鋪層的破壞方式以基體破壞為主，同時(shí)伴有纖維斷裂。應(yīng)變率為0.58%時(shí)，±62°鋪層的基體開(kāi)始開(kāi)裂而后迅速破壞，整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初次破壞，此后整體結(jié)構(gòu)的拉伸載荷全部由0°鋪層承擔(dān)，其纖維破壞參數(shù)增長(zhǎng)速率明顯加快；應(yīng)變率達(dá)到1.77%時(shí)，0°鋪層纖維開(kāi)始破壞而后迅速斷裂，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次破壞，載荷再次由±62°鋪層的剩余纖維承受，此后破壞極為迅速；應(yīng)變率達(dá)到1.81%時(shí)，結(jié)構(gòu)試件完全失效。整個(gè)失效過(guò)程與DIC所記錄的層合板失效過(guò)程較為一致。

由以上分析可知，所建立的模型與試驗(yàn)過(guò)程一致性較好，能較為準(zhǔn)確地對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效過(guò)程進(jìn)行分析。

4 精度影響因素分析

在應(yīng)用DIC進(jìn)行分析時(shí)，精度對(duì)于結(jié)果分析時(shí)的有效性和準(zhǔn)確性影響很大，所以有必要研究精度的影響因素。由于DIC是以位移和應(yīng)變?yōu)樘幚韺?duì)象，位移和應(yīng)變?cè)酱?，結(jié)果分析的精度越高。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)變與應(yīng)力相關(guān)性較高。因此，本文認(rèn)為對(duì)應(yīng)力影響越大的因素對(duì)結(jié)果精度影響也就越大。

由前文結(jié)果分析可知，可運(yùn)用所建立的模型分析細(xì)觀參數(shù)對(duì)宏觀性能的影響。本文主要對(duì)復(fù)合材料試件的失效過(guò)程進(jìn)行研究，因此主要討論試件的失效應(yīng)力。在拉伸試驗(yàn)中壓縮參數(shù)對(duì)試件結(jié)構(gòu)失效的影響較小，所以在分析參數(shù)對(duì)性能的影響時(shí)，主要討論縱向拉伸強(qiáng)度XT(纖維方向)、橫向拉伸強(qiáng)度YT(垂直于纖維方向)、彈性模量E1和E2以及泊松比ν12。

按照表2所示參數(shù)分布，運(yùn)用蒙特卡洛方法對(duì)縱向拉伸強(qiáng)度XT進(jìn)行采樣，運(yùn)用有限元方法計(jì)算失效應(yīng)力，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分布擬合，可得如圖5所示結(jié)果。

由圖5可知，采用正態(tài)分布和威布爾分布均對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行描述效果均較為理想。正態(tài)分布擬合之后平均值是1188 MPa，方差是36，威布爾分布參數(shù)分別是1208 MPa和29 MPa，兩種分布擬合與試驗(yàn)結(jié)果的平均值1110 MPa較為接近。同理，對(duì)橫向拉伸強(qiáng)度YT，彈性模量E1、E2和泊松比ν12進(jìn)行采樣后，計(jì)算失效應(yīng)力并擬合其分布，結(jié)果如圖6～圖8所示。

由圖6可知，對(duì)于橫向拉伸強(qiáng)度YT，正態(tài)分布平均數(shù)是1190 MPa，方差是1，威布爾分布參數(shù)分別是1191、1194 MPa，正態(tài)分布擬合效果更好。由圖7、圖8可知，當(dāng)彈性模量E1、E2和泊松比ν12發(fā)生變化時(shí)，失效應(yīng)力變化范圍極小，因此不再對(duì)其結(jié)果分布進(jìn)行擬合。

綜上所述，縱向拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生變化時(shí)，失效應(yīng)力分布在[1220 MPa, 1300 MPa]之間，分布較為廣泛，當(dāng)橫向拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生變化時(shí)，失效應(yīng)力主要在[1188 MPa, 1192 MPa]之間變化，要明顯小于縱向拉伸強(qiáng)度的響應(yīng)范圍，說(shuō)明所有細(xì)觀參數(shù)中縱向拉伸強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效應(yīng)力影響最大。由以上分析可知，運(yùn)用本文所制備的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，縱向拉伸強(qiáng)度XT對(duì)結(jié)果的精度影響最大。

5 結(jié)論

(1)對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，該批試件的失效應(yīng)力分布較為分散，平均值是1110 MPa，失效應(yīng)變分布與應(yīng)力分布較為一致，平均值是1.78%。

(2)采用建模仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了復(fù)合材料層合板試件的拉伸失效過(guò)程：首先以基體失效為主，而后發(fā)生纖維失效，當(dāng)最大應(yīng)變大于1.81%時(shí)，試件完全失效，所得結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，證明了所建立模型的適用性與準(zhǔn)確性。

(3)運(yùn)用所建立的模型分析影響結(jié)果精度的因素，由結(jié)果可得，在本文所采用的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)果精度均會(huì)造成影響，其中縱向拉伸強(qiáng)度XT對(duì)精度影響最大。

[1] Jeong H K,Shenoi R A. Probabilistic strength analysis of rectangular FRP plates using Monte Carlo simulation[J].Comput. Struct.,2000,76(3):219-235.

[2] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007,24(1):1-12.

[3] Sriramula S,Chryssanthopoulos M K.Quantification of uncertainty modeling in stochastic analysis of FRP composite structures[J].Composites Part A:Appl.Sci.Manuf.,2009,40:1673-1684.

[4] 景釗，孫秦.復(fù)合材料多向?qū)訅喊迤趬勖A(yù)測(cè)[J].固體火箭技術(shù),2013,36(2): 237-242.

[5] 樊鈺，葉定友，陳汝訓(xùn).溫度影響下炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能預(yù)示[J].固體火箭技術(shù),2013,36(6):831-835.

[6] 胡麗娟，張少睿，李大永，等.細(xì)觀參數(shù)對(duì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)性能的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(3):475-479.

[7] Aghdam M M，Dezhsexan A. Micromechanics based analysis of randomly distributed fiber reinforced composites using simplified unit cell model [J].Composite Structures,2005,71:327-332.

[8] Drago A，Pindera M J. Micro-macromechanical analysis of heterogeneous materials: Macroscopically homogeneous vs periodic;microstructures[J].Composites Science and Technology,2007,67(6):1243-1263

[9] 劉萬(wàn)雷,常新龍,張曉軍,等．纏繞復(fù)合材料殼體低速?zèng)_擊損傷試驗(yàn)與仿真研究[J].推進(jìn)技術(shù),2017,38(1):172-178.

[10] Eun-Ho Kim,In Lee. Low-velocity impact and residual burst-pressure analysis of cylindrical composite pressure vessels[J].AIAA Journal,2012,50(10):2180-2193.

Failureanalysisoffiberreinforcedcompositestructuresusingadigitalimagecorrelationmethod

WANG Chao,CHANG Xin-long,ZHANG You-hong,ZHANG Lei,CHEN Xiang-dong

(Department of Power Engineering,Rocket Force University of Engineering,Xi'an 710025,China)

Aiming at the complicated mechanism for the failure problem of fiber reinforced composite,a digital image correlation(DIC) method was used to obtain the evolution of strain field on specimen surface of the laminated sheet tensile test.A structural model was established as well based on improved Hashin criteria.The simulation results were compared with experimental ones to analyze the failure process and mechanism of the specimen.Based on Monte Carlo method and finite element method,the influence of Micro-parameters on the accuracy of the result was discussed and analyzed.The results indicate that the DIC is capable of analyzing and predicting the structural failure process.The established model based on improved Hashin criteria is in good agreement with the experimental results,which can be used as a basis for the further research on micromechanics.Compared with the other structural parameters,longitudinal tensile strength has a greater impact on the accuracy of the results.The results can provide theoretical reference for reliability of the composite materials.

digital image correlation;composite material;structural model;reliability analysis; failure

V258

A

1006-2793(2017)05-0614-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.05.015

(編輯：呂耀輝)