本发明公开了一种基于失效面理论的复合材料层合板强度分析方法,涉及复合材料结构失效分析领域,该方法包括:基于三维失效面理论确定材料损伤柔度矩阵的计算公式,从而建立起复合材料力学本构关系;采用失效面上的应力构造失效准则以判断复合材料是否失效及其失效模式,并基于失效面坐标系进行复合材料的刚度退化。通过对有限元软件进行二次开发建立了复合材料层合板的三维有限元模型,仿真模拟了复合材料层合板损伤起始、损伤演化和最终破坏的完整过程。该方法物理机制明确,能较好地预测复合材料层合板的失效载荷与失效模式,在很大程度上提高了复合材料层合板强度分析的预测精度,从而避免进行大量耗时长、成本高的试验测试。

对复合材料层合板的三维有限元模型进行应力分析，模拟复合材料层合板的损伤起始、损伤演化和最终破坏的全过程，在每个载荷增量步，采用基于三维失效面理论构造的失效准则判断材料是否损伤，对失效的材料基于失效面坐标系进行刚度退化，然后继续施加载荷增量，直至确定复合材料层合板最终破坏；

根据有限元数值分析结果得到复合材料层合板的失效载荷与失效模式。

其进一步的技术方案为，首先采用基于三维失效面理论构造的失效准则来判断复合材料是否发生损伤，包括：

失效准则及其失效模式为：

①纤维拉伸失效：

②纤维压缩失效：

③基体拉伸失效：

④基体压缩失效：

复合材料凭借其高比强度、高比刚度、可设计、抗疲劳和耐腐蚀等突出特点，在航空航天、风电叶片、轨道交通等领域得到了广泛应用。然而在工程实际中，复合材料结构的设计仍是相当保守的。工程人员在设计时一般会通过选取较大的安全系数，并进行大量试验以最大程度地保证结构的安全性。但采用该方法会导致设计的结构效率偏低，也会造成设计周期变长，成本增加。因此，有必要建立一种准确预测复合材料层合板强度的分析方法，这有助于提高结构效率，减轻结构重量，降低试验成本并缩短研发周期。

复合材料层合板的渐进失效分析(Progressive Failure Analysis，PFA)方法目前在学术界得到了广泛应用，并取得了相对较好的预测效果。但因为复合材料具有高度各向异性且损伤模式多样化，导致其失效机理异常复杂，所以不少学者提出的复合材料层合板渐进失效分析模型都带有一定经验性。例如，广泛用于预测复合材料层合板失效的Tsai-Wu准则中系数F12的取值没有公认的确定方法，基于应力不变量理论的Hashin准则中的一些参数因缺少实验数据而被人为设置成0。此外，在失效发生后复合材料刚度性能的折减方式也不尽相同。这些问题给建立一种基于物理机制且预测精度较高的复合材料层合板强度分析方法带来了挑战。

江南大学是教育部直属、国家“211工程”重点建设高校和“双一流”建设高校。学校具有悠久的办学历史、厚重的文化积淀，源起1902年创建的三江师范学堂，历经国立中央大学、南京大学等发展时期；1958年南京工学院食品工业系整建制东迁无锡独立建校，成立无锡轻工业学院；1962年无锡纺织工学院并入无锡轻工业学院；1995年更名为无锡轻工大学；2001年无锡轻工大学、江南学院、无锡教育学院合并组建江南大学；2003年东华大学无锡校区并入江南大学。

1、按照本申请所提供的方法，基于三维失效面理论建立复合材料的力学本构关系，其物理机制更加明确。

2、本方法采用失效面上的应力构造失效准则以判断复合材料是否失效及其具体失效模式，并基于失效面坐标系进行复合材料的刚度退化。与现有方法相比，能够更为准确地预测复合材料层合板的损伤起始和损伤后的力学性能。

3、按照本申请所提供的方法，建立复合材料层合板的三维有限元模型，较二维模型预测精度更高。

4、本申请能模拟复合材料层合板损伤起始、演化和最终失效的全过程，可较为准确地预测复合材料层合板的失效载荷与失效模式。

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