基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法

基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法
【专利摘要】一种复合材料【技术领域】的基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法，使用有限元技术进行结构响应计算。该有限元模型基于经典层合板理论，建立考虑了拉压不对称性的umat子程序。通过进行不同应力比下的恒幅疲劳实验，建立了平均应力对碳纤维复合材料结构寿命预测的影响机制方程，并推广到块载荷和谱载荷。本发明建立的寿命评估模型，基于经典层合板理论，考虑了平均应力和变幅载荷的影响，其预测结果分散性小，准确度高，为碳纤维复合材料零部件的可靠性设计提供理论指导，能够解决现有碳纤维复合材料结构疲劳寿命仅采用试验方法造成的成本高、耗时长的技术问题。
【专利说明】基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种复合材料检测【技术领域】的方法，具体是一种基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维复合材料具有优异的力学性能(比强度和比模量高、耐疲劳性能好、阻尼减振性能好)，而且还可以根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能，已成为一种当代新型的工程材料，在航空航天、汽车工业、船舶工业、能源产业等得到了广泛的应用。
[0003]复合材料是由纤维相、基体相以及界面相所组成的各向异性材料，大量试验结果研究表明:复合材料受疲劳循环载荷作用时，在其整个寿命期间内不产生如金属材料那样控制整个结构疲劳性能的一条主裂纹，而是产生基体开裂，界面脱胶，分层和纤维断裂四种基本破坏形式，以及由它们相互作用而形成的诸多综合破坏形式。因此，是否能够准确预测碳纤维复合材料结构的疲劳寿命是影响当前其广泛应用的重要前提。
[0004]经过对现有技术文献的检索发现，目前科学界和工业界对复合材料界面相的研究主要包括两个途径。一是通过建立唯象实验手段，如纳米压痕、单丝拉伸等来测量界面相的结构特征和力学参数；另一种则是通过细观力学的方法对界面相进行数值建模。
[0005]V.A.Passipoularidis 等在期刊《International Journal of Fatigue》2011 年第32期中，通过不同载荷谱下的应力控制疲劳试验，揭示了谱载荷作用下影响纤维增强复合材料疲劳性能预测的因素，包括损伤累积准则、恒幅寿命图以及计数方法。
[0006]Anastasios P.Vassilopoulos 等在期刊《Computational Materials Science》2010年第49期中，基于不同疲劳失效准则影响下的唯象疲劳失效预测流程，此流程采用Miner线性损伤准则，考虑了恒幅寿命图的影响。
[0007]Darshil U.Shah 在《Composite Science and Technology》2013 年第 74 期中，基于应力-寿命方程(S-N方程)和恒幅寿命图(CLD)，研究了不同纤维类型、纤维含量、编织方式以及应力比对疲劳寿命的影响。研究结果指出纤维类型、纤维含量和编织方式等因素对静态力学性能有显著影响，对寿命曲线的斜率b没有影响。
[0008]相比于各向同性材料(如传统金属材料)，对各向异性的碳纤维复合材料疲劳寿命预测时，由于涉及的影响因素多，因此更为复杂。

【发明内容】

[0009]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法，基于经典层合板理论，通过数值手段获得碳纤维复合材料结构的应力响应，结合试验手段，获得恒幅载荷疲劳寿命曲线和变幅载荷下的损伤累积准则，进而对实际结构在任意载荷下的疲劳寿命预测，克服目前碳纤维复合材料寿命预测方法不足和精度不高的问题。[0010]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤:
[0011]步骤一、通过实验测量碳纤维复合材料的静态和疲劳力学性能数据，具体包括:准静态拉伸和压缩实验数据，获得材料静态力学参数(杨氏模量、断裂强度、泊松比)；不同应力比R下的恒应力幅疲劳实验(至少包括R= 10、- 1、- 0.5、0.1、0.5)，获得基于Basquin方程的材料疲劳寿命曲线。
[0012]步骤二、非线性恒幅寿命图建模，具体为:通过步骤一中获取的试验数据，建立恒幅寿命图并进行唯象处理以评估平均应力疲劳寿命预测的影响；然后利用建立的恒幅寿命图评估任意恒幅载荷模式下的疲劳寿命。
[0013]所述的唯象方程是指:将恒福寿命图分为三阶段模型方程，具体包括:
[0014]I)当 σ m ≤ O, I ≤ R<+ 00和-00〈R ≤-1 时:<τα =?ι(1 + Δ1)α ；
[0015]2)当 O m>0, -KR ≤ O时:oa = σ0+α "(Ai1H^h(Aii)2;
[0016]3)当 σ JO，0〈R ≤I 时:<Ta = Cr1
【权利要求】
1.一种基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、通过实验测量碳纤维复合材料的静态和疲劳力学性能数据:准静态拉伸和压缩实验数据，获得材料静态力学参数；不同应力比R下的恒应力幅疲劳实验，获得基于Basquin方程的材料疲劳寿命曲线； 步骤二、非线性恒幅寿命图建模:通过步骤一中获取的试验数据，建立恒幅寿命图并进行唯象处理以评估平均应力疲劳寿命预测的影响；然后利用建立的恒幅寿命图评估任意恒幅载荷模式下的疲劳寿命； 步骤三、变幅载荷下疲劳损伤累积准则建模:根据块载荷和谱载荷试验数据拟合得到损伤累积准则系数； 步骤四、碳纤维复合材料结构应力分析:基于经典层合板理论，按照实际结构的铺层类型利用Abaqus软件完成铺层设计，建立考虑拉压不对称的碳纤维复合材料umat本构方程，并将步骤一中获得的静态力学参数输入到程序中，使用经典失效判据准则，对结构的静强度进行失效判断 ； 步骤五、谱载荷循环计数:利用雨流计数法对不规则的随机载荷进行重新计数，得到一系列的不同幅值和平均值的恒幅载荷； 步骤六、疲劳寿命和损伤计算:利用步骤五得到的恒幅载荷，将此载荷施加在步骤四中的有限元模型中，通过数值计算得到结构上的包括最大应力和最小应力的应力响应，进而得到应力比R，即最小应力和最大应力的比值，将此应力比R代入步骤二中得到的恒幅寿命图，得到此应力比R下的S - N曲线，从而计算结构的寿命值和损伤值，判断结构是否失效。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的唯象方程是指:将恒福寿命图分为三阶段模型方程，具体包括:
1)当σ m ≤ O, I ≤ R<+ 00和-Co〈R ≤-1 时..CTa = 12,(1+ Δ,/'； 2)当Om>0，-1〈R≤O 时:oa = σ0+α:: (Δ::) + β ^(A11)2;
3)当OniX),0〈R≤ I 时:σ3 =?ιπ(?-ΔΙΙ1)/?",: 其中:Λ I = σω/oUCS) α I和β I是模型拟合参数，σπ是平均应力，σ υκ是压缩极限强度，A11 = ο J ο UTS, σ。，a t t和β t t是模型拟合参数，σ UTS是拉伸极限强度，Allt= 0J0 ms.α I I I和P I I I是模型拟合参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的拟合是指:利用块载荷实验数据拟合


非线性Palmgren - Miner损伤累积准则模型
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的经典失效判据准则是指=Hashin失效准则，具体包括
【文档编号】G01N3/00GK103942441SQ201410171597
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】朱平, 籍庆辉, 卢家海, 冯奇, 何健, 张晓红, 周庆伟 申请人:上海交通大学