基于應(yīng)力比影響的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命評(píng)估方法
【專利摘要】一種復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】的基于應(yīng)力比影響的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命評(píng)估方法，使用有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算。該有限元模型基于經(jīng)典層合板理論，建立考慮了拉壓不對(duì)稱性的umat子程序。通過(guò)進(jìn)行不同應(yīng)力比下的恒幅疲勞實(shí)驗(yàn)，建立了平均應(yīng)力對(duì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的影響機(jī)制方程，并推廣到塊載荷和譜載荷。本發(fā)明建立的壽命評(píng)估模型，基于經(jīng)典層合板理論，考慮了平均應(yīng)力和變幅載荷的影響，其預(yù)測(cè)結(jié)果分散性小，準(zhǔn)確度高，為碳纖維復(fù)合材料零部件的可靠性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，能夠解決現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞壽命僅采用試驗(yàn)方法造成的成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的技術(shù)問題。
【專利說(shuō)明】基于應(yīng)力比影響的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種基于應(yīng)力比影響的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能(比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞性能好、阻尼減振性能好)，而且還可以根據(jù)使用條件的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能，已成為一種當(dāng)代新型的工程材料，在航空航天、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]復(fù)合材料是由纖維相、基體相以及界面相所組成的各向異性材料，大量試驗(yàn)結(jié)果研究表明:復(fù)合材料受疲勞循環(huán)載荷作用時(shí)，在其整個(gè)壽命期間內(nèi)不產(chǎn)生如金屬材料那樣控制整個(gè)結(jié)構(gòu)疲勞性能的一條主裂紋，而是產(chǎn)生基體開裂，界面脫膠，分層和纖維斷裂四種基本破壞形式，以及由它們相互作用而形成的諸多綜合破壞形式。因此，是否能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是影響當(dāng)前其廣泛應(yīng)用的重要前提。
[0004]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前科學(xué)界和工業(yè)界對(duì)復(fù)合材料界面相的研究主要包括兩個(gè)途徑。一是通過(guò)建立唯象實(shí)驗(yàn)手段，如納米壓痕、單絲拉伸等來(lái)測(cè)量界面相的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)參數(shù)；另一種則是通過(guò)細(xì)觀力學(xué)的方法對(duì)界面相進(jìn)行數(shù)值建模。
[0005]V.A.Passipoularidis 等在期刊《International Journal of Fatigue》2011 年第32期中，通過(guò)不同載荷譜下的應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)，揭示了譜載荷作用下影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞性能預(yù)測(cè)的因素，包括損傷累積準(zhǔn)則、恒幅壽命圖以及計(jì)數(shù)方法。
[0006]Anastasios P.Vassilopoulos 等在期刊《Computational Materials Science》2010年第49期中，基于不同疲勞失效準(zhǔn)則影響下的唯象疲勞失效預(yù)測(cè)流程，此流程采用Miner線性損傷準(zhǔn)則，考慮了恒幅壽命圖的影響。
[0007]Darshil U.Shah 在《Composite Science and Technology》2013 年第 74 期中，基于應(yīng)力-壽命方程(S-N方程)和恒幅壽命圖(CLD)，研究了不同纖維類型、纖維含量、編織方式以及應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響。研究結(jié)果指出纖維類型、纖維含量和編織方式等因素對(duì)靜態(tài)力學(xué)性能有顯著影響，對(duì)壽命曲線的斜率b沒有影響。
[0008]相比于各向同性材料(如傳統(tǒng)金屬材料)，對(duì)各向異性的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)，由于涉及的影響因素多，因此更為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于應(yīng)力比影響的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命評(píng)估方法，基于經(jīng)典層合板理論，通過(guò)數(shù)值手段獲得碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，結(jié)合試驗(yàn)手段，獲得恒幅載荷疲勞壽命曲線和變幅載荷下的損傷累積準(zhǔn)則，進(jìn)而對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)在任意載荷下的疲勞壽命預(yù)測(cè)，克服目前碳纖維復(fù)合材料壽命預(yù)測(cè)方法不足和精度不高的問題。[0010]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟:
[0011]步驟一、通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量碳纖維復(fù)合材料的靜態(tài)和疲勞力學(xué)性能數(shù)據(jù)，具體包括:準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得材料靜態(tài)力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、斷裂強(qiáng)度、泊松比)；不同應(yīng)力比R下的恒應(yīng)力幅疲勞實(shí)驗(yàn)(至少包括R= 10、- 1、- 0.5、0.1、0.5)，獲得基于Basquin方程的材料疲勞壽命曲線。
[0012]步驟二、非線性恒幅壽命圖建模，具體為:通過(guò)步驟一中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立恒幅壽命圖并進(jìn)行唯象處理以評(píng)估平均應(yīng)力疲勞壽命預(yù)測(cè)的影響；然后利用建立的恒幅壽命圖評(píng)估任意恒幅載荷模式下的疲勞壽命。
[0013]所述的唯象方程是指:將恒福壽命圖分為三階段模型方程，具體包括:
[0014]I)當(dāng) σ m ≤ O, I ≤ R<+ 00和-00〈R ≤-1 時(shí):<τα =?ι(1 + Δ1)α ；
[0015]2)當(dāng) O m>0, -KR ≤ O時(shí):oa = σ0+α "(Ai1H^h(Aii)2;
[0016]3)當(dāng) σ JO，0〈R ≤I 時(shí):<Ta = Cr1
【權(quán)利要求】
1.一種基于應(yīng)力比影響的碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量碳纖維復(fù)合材料的靜態(tài)和疲勞力學(xué)性能數(shù)據(jù):準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得材料靜態(tài)力學(xué)參數(shù)；不同應(yīng)力比R下的恒應(yīng)力幅疲勞實(shí)驗(yàn)，獲得基于Basquin方程的材料疲勞壽命曲線； 步驟二、非線性恒幅壽命圖建模:通過(guò)步驟一中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立恒幅壽命圖并進(jìn)行唯象處理以評(píng)估平均應(yīng)力疲勞壽命預(yù)測(cè)的影響；然后利用建立的恒幅壽命圖評(píng)估任意恒幅載荷模式下的疲勞壽命； 步驟三、變幅載荷下疲勞損傷累積準(zhǔn)則建模:根據(jù)塊載荷和譜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到損傷累積準(zhǔn)則系數(shù)； 步驟四、碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析:基于經(jīng)典層合板理論，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的鋪層類型利用Abaqus軟件完成鋪層設(shè)計(jì)，建立考慮拉壓不對(duì)稱的碳纖維復(fù)合材料umat本構(gòu)方程，并將步驟一中獲得的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)輸入到程序中，使用經(jīng)典失效判據(jù)準(zhǔn)則，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行失效判斷 ； 步驟五、譜載荷循環(huán)計(jì)數(shù):利用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)不規(guī)則的隨機(jī)載荷進(jìn)行重新計(jì)數(shù)，得到一系列的不同幅值和平均值的恒幅載荷； 步驟六、疲勞壽命和損傷計(jì)算:利用步驟五得到的恒幅載荷，將此載荷施加在步驟四中的有限元模型中，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到結(jié)構(gòu)上的包括最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的應(yīng)力響應(yīng)，進(jìn)而得到應(yīng)力比R，即最小應(yīng)力和最大應(yīng)力的比值，將此應(yīng)力比R代入步驟二中得到的恒幅壽命圖，得到此應(yīng)力比R下的S - N曲線，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)的壽命值和損傷值，判斷結(jié)構(gòu)是否失效。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的唯象方程是指:將恒福壽命圖分為三階段模型方程，具體包括:
1)當(dāng)σ m ≤ O, I ≤ R<+ 00和-Co〈R ≤-1 時(shí)..CTa = 12,(1+ Δ,/'； 2)當(dāng)Om>0，-1〈R≤O 時(shí):oa = σ0+α:: (Δ::) + β ^(A11)2;
3)當(dāng)OniX),0〈R≤ I 時(shí):σ3 =?ιπ(?-ΔΙΙ1)/?",: 其中:Λ I = σω/oUCS) α I和β I是模型擬合參數(shù)，σπ是平均應(yīng)力，σ υκ是壓縮極限強(qiáng)度，A11 = ο J ο UTS, σ。，a t t和β t t是模型擬合參數(shù)，σ UTS是拉伸極限強(qiáng)度，Allt= 0J0 ms.α I I I和P I I I是模型擬合參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的擬合是指:利用塊載荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合


非線性Palmgren - Miner損傷累積準(zhǔn)則模型
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的經(jīng)典失效判據(jù)準(zhǔn)則是指=Hashin失效準(zhǔn)則，具體包括
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK103942441SQ201410171597
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】朱平, 籍慶輝, 盧家海, 馮奇, 何健, 張曉紅, 周慶偉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)