在复合材料力学界最为有名的强度理论之一就是Tsai-Wu理论,考虑了应力之间的相互影响,对单向复合材料,Tsai理论的精确度最高,然而对于层合板,Tsai理论表现不是很理想,对初始破坏强度预报比较差,最终破坏强度与其他几个理论相比存在欠缺。由于Tsai理论使用了线弹性本构关系,对于层合板的非线性应变的预测与实验结果相差较远。
另外,我国学者黄争鸣基于细观力学理论建立了一种改进的最大正应力判据检测基体或纤维的拉伸破坏,该理论是唯一可以计算纤维和基体中热应力的理论,但是在计算中该理论对其它单层板的五个力学参数预报的精确度较差,因此其应用范围较狭窄。李华详、刘应华等人通过细观力学的方法,结合宏细观尺度的对应关系得到复合材料的宏观屈服准则,该理论对含周期性微结构复合材料的具有一定的适用性。
总之,失效判据是个极其复杂的问题,尽管以上一些强度理论在当前得到一定范围的应用,但精度最高的也只有67.5%,因此需要不断地总结、发现,渐渐用数学物理方程来揭示复合材料真实的性质,建立更符合客观实际的失效准则。
2.3复合材料层合板强度的有限单元法
复合材料的就位特性、各向异性和层状性所产生的各种复杂的力学现象,使得有限元计算技术对于求解复合材料及其结构的力学问题得到了相当广泛的应用。在这一领域可分为两个分支:一是有限元法应用于复合材料结构(如板、壳等)力学问题;二是有限元技术应用于复合材料细观力学行为的模拟分析。前者追求真实工程环境下的工程结构问题的解决,后者侧重于材料细观结构与力学性能的关系分析。
在当前理论研究不完善的条件下,数值计算已经成为指导工程实践的最有效的工具。有限单元法的引入大大缩短了理论与实际的距离,复合材料各种力学性能参数可以借助有限元软件很方便得到。过去,对于如何知道一个实际的复合材料结构在复杂外载荷条件下的破坏模式及破坏强度,一直是人们十分关心的问题,在数值计算没有广泛应用之前人们只能采用结构整机试验,这种方法一般来说既费时又费钱。随着有限元及计算机软硬件的不断发展,用软件来预测和模拟计算复合材料结构的力学性能参数、破坏强度以及破坏过程越来越受到研究人员的重视。因此,许多著名的有限元软件实现了复合材料层合板的应力和应变的计算,有些软件层合板的强度计算功能也非常强大,例如:ANSYS、ESDU、PATRAN、DYNA3D PAMCRASH、PAMSISS、NASTRAN、ABAQUS等,都实现了复合材料层合板强度的计算,但是计算结果的准确性及合理性需要通过实践来检验。除了结果的准确性和合理性外,各种有限元软件的计算的理论基础也需要参考最新的理论成果加以不断的修改和完善,比如在ANSYS中,仅仅定义了经典强度理论中的三种复合材料的破坏准则:最大应变失效准则、最大应力失效准则、Tasi-Wu失效准则。
3.总结
通过总结不难发现:由于复合材料层合板强度问题理论研究的复杂程度、层合板破坏因素的部确定性以及工程实际应用需求的迫切性等方面的因素,复合材料各种力学性能参数的数值计算已经为越来越多的学者所关注的热点问题,数值计算可以在满足一定工程要求的前提下较快地得到结论,大大缩短实际应用周期。(e-works)