碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法与流程

本公开涉及碳纤维增强复合材料技术领域，具体而言，涉及一种碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法。

背景技术：

碳纤维增强复合材料(cfrp，carbonfiberreinforcedpolymers)是以碳纤维为增强体，以树脂等为基体所形成的复合材料，具有较高的比强度、比刚性，且质量较轻，因而获得了广泛的应用。对于碳纤维增强复合材料的工件而言，对其疲劳寿命的预测，直接关系着对其性能的判断。

目前，对碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命的预测，通常需要制造出试验用的工件，并进行大量的力学试验，获得预测疲劳寿命所需的力学数据，得到疲劳曲线，以预测疲劳寿命。但是，这样的预测方式，需要进行大量的试验，工作效率较低，且成本较高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法，可提高疲劳寿命预测的效率，降低疲劳分析的成本。

根据本公开的一个方面，提供一种碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法，包括：

建立碳纤维增强复合材料工件的试验模型；

将所述试验模型划分为多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征，所述分析特征至少包括每组纤维的方向；

根据各所述分析单元的分析特征和预设的对应关系确定所述试验模型的力学性能参数；

根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据；

根据所述应力数据确定所述试验模型的目标疲劳曲线，以作为所述碳纤维增强复合材料工件的疲劳曲线。

在本公开的一种示例性实施例中，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据包括：

根据所述力学性能参数确定所述试验模型的参考疲劳曲线；

将所述参考疲劳曲线与预设的标准疲劳曲线范围进行比较；

在所述参考疲劳曲线位于所述标准疲劳曲线范围内的情形下，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据。

在本公开的一种示例性实施例中，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据还包括：

在所述参考疲劳曲线超出所述标准疲劳曲线范围的情形下，重新将所述试验模型划分为多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述力学性能参数确定所述试验模型的参考疲劳曲线包括：

确定分析条件，所述分析条件包括载荷类型、平均应力修正方式、应力分量及疲劳修正参数；

根据所述力学性能参数和所述分析条件确定所述参考疲劳曲线。

在本公开的一种示例性实施例中，所述分析特征还包括每组纤维的纤维长度和孔隙率中至少一者。

在本公开的一种示例性实施例中，将所述试验模型划分为多个分析单元包括：

通过代表体积单元法将所述试验模型划分为多个分析单元。

在本公开的一种示例性实施例中，确定各所述分析单元的分析特征包括：

采用digimat软件通过代表体积单元法将所述试验模型划分为多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征。

在本公开的一种示例性实施例中，根据各所述分析单元的分析特征和预设的对应关系确定所述试验模型的力学性能参数包括：

采用ansys软件根据各所述分析单元的分析特征和预设的对应关系计算所述试验模型的力学性能参数。

在本公开的一种示例性实施例中，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据包括：

采用ansys软件根据预设的模拟工况和所述力学性能参数对所述试验模型进行模拟试验，并确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述应力数据确定所述试验模型的目标疲劳曲线包括：

采用ncode软件根据所述应力数据确定所述试验模型的目标疲劳曲线。

本公开的碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法，可建立碳纤维增强复合材料工件的试验模型，将该试验模型划分为多个分析单元并确定各分析单元的分析特征，根据分析单元的分析特征和预设的对应关系可确定试验模型的力学性能参数；根据预设的模拟工况和力学性能参数可确定试验模型在该模拟工况下的应力数据，根据应力数据确定试验模型的疲劳曲线，作为该工件的疲劳曲线，以便预测疲劳寿命。在此过程中，利用了分析单元的分析特征与疲劳寿命的关联，可避免对工件进行多次力学试验，从而提高疲劳寿命预测的效率，降低疲劳分析的成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式碳纤维增强复合材料工件的疲劳预测方法的流程图。

图2为本公开实施方式碳纤维增强复合材料工件的疲劳预测方法中步骤s140的流程图。

图3为本公开实施方式碳纤维增强复合材料工件的疲劳预测方法中步骤s1410的流程图。

图4为本公开实施方式碳纤维增强复合材料工件的疲劳预测方法的工作过程的流程图。

图5为疲劳曲线的示意图。

具体实施方式

现在将标准附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

用语“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本公开实施方式提供了一种碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法，如图1所示，该疲劳寿命预测方法可以包括：

步骤s110、建立碳纤维增强复合材料工件的试验模型；

步骤s120、将所述试验模型划分为多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征，所述分析特征至少包括每组纤维的方向；

步骤s130、根据所述分析单元的分析特征和预设的对应关系确定所述试验模型的力学性能参数；

步骤s140、根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据；

步骤s150、根据所述应力数据确定所述试验模型的目标疲劳曲线，以作为所述碳纤维增强复合材料工件的疲劳曲线。

本公开的碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命预测方法，可建立碳纤维增强复合材料工件的试验模型，将该试验模型划分为多个分析单元并确定各分析单元的分析特征，根据分析单元的分析特征和预设的对应关系可确定试验模型的力学性能参数；根据预设的模拟工况和力学性能参数可确定试验模型在该模拟工况下的应力数据，根据应力数据确定试验模型的疲劳曲线，作为该工件的疲劳曲线，以便预测疲劳寿命。在此过程中，利用了分析单元的分析特征与疲劳寿命的关联，可避免对工件进行多次力学试验，从而提高疲劳寿命预测的效率，降低疲劳分析的成本。

下面对本公开疲劳寿命预测方法的各步骤进行详细说明：

如图1所示，在步骤s110中，建立碳纤维增强复合材料工件的试验模型。

该工件可以是汽车中的后桥，但不以此为限，还可以是汽车的连杆等其它部件，且不限于汽车，还可以其它碳纤维增强复合材料的工件，在此不再一一列举。该试验模型为该碳纤维增强复合材料工件的三维模型，例如，可通过ansys或其它软件建立该工件的三维模型。

如图1所示，在步骤s120中，将所述试验模型划分为多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征，所述分析特征至少包括每组纤维的方向。

碳纤维增强复合材料工件的分析单元的数量，具体可视该工件的结构而定，在此不做特殊限定。各分析单元均可包括多组纤维，每组纤维的数量可为两个。该试验模型的分析特征可包括每组纤维的方向，但不以此为限，还可以包括每组纤维的纤维长度和孔隙率中的至少一个。

确定各所述分析单元的分析特征可以包括：

通过代表体积单元法将试验模型划分为多个分析单元，并确定各分析单元的分析特征。

举例而言，可采用digimat软件通过代表体积单元法将试验模型划分为多个分析单元，并确定各分析单元的分析特征。当然，也可以采用其他软件。

如图1所示，在步骤s130中，根据所述分析单元的分析特征和预设的对应关系确定所述试验模型的力学性能参数。

上述的分析特征与工件的力学性能相关，分析特征不同，则力学性能可能不同。力学性能参数为反映工件整体的力学性能参数，其可包括强度、硬度、韧性疲劳强度等，在此不做特殊限定。上述预设的对应关系可以包括关于分析单元的分析特征与试验模型力学性能的方程，在确定分析单元的分析特征后，可根据该方程确定试验模型的力学性能参数，即通过分析单元确定试验模型整体的力学性能参数，免于直接确定试验模型的力学性能参数。上述的对应关系可为经验方程，或者由试验确定的对应关系。

举例而言，可采用digimat软件根据上述分析单元的分析特征计算出试验模型的力学性能参数。当然，也可以通过其它软件计算力学性能参数。

如图1所示，在步骤s140中，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据。

模拟工况可包括剪切力、扭矩等，用于模拟出工件在实际工作时的工况。可采用根据预设的模拟工况和力学性能参数对试验模型进行模拟实验，并确定试验模型在模拟工况下的应力数据，例如，可采用ansys软件将试验模型置于预设的模拟工况下，模拟工件的工作状态，并获取在该模拟工况下的应力数据。当然，也可以通过其他软件得到在该模拟工况下的应力数据。

如图2和图4所示，在一实施方式中，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据可以包括：

步骤s1410、根据所述力学性能参数确定所述试验模型的参考疲劳曲线。

确定该试验模型的参考疲劳曲线可以包括：

步骤s14110、确定分析条件，所述分析条件包括载荷类型、平均应力修正方式、应力分量及疲劳修正参数；

载荷类型可包括横幅比例载荷、横幅非比例载荷、非横幅比例载荷、非横幅非比例载荷，当然，也可以包括其它载荷类型。

平均应力修正方式可包括goodman法、soderberg法、gerber法以及不进行修正。当然，也可以包括其它修正方式。

应力分量可包括x方向应力、y方向应力、z方向应力、xy平面应力、xz平面应力、yz平面应力、vonmises应力、带符号的vonmises应力、最大剪应力、最大主应力和最大主应力绝对值。当然，也可以包括其它应力分量。

疲劳修正参数可包括定义有限寿命数值、疲劳强度系数和载荷缩放系数。当然，也可以包括其它参数。

举例而言，在通过ansys软件确定分析条件，如图3所示，可先选择定义疲劳曲线；再选择疲劳分析类型，例如应力疲劳分析；然后，选择一种或多种载荷类型；再选择一种或多种平均应力修正方式；然后，选择一种或多种应力分量，最后，可选择一种或多种疲劳修正参数。

步骤s14120、根据所述力学性能参数和所述分析条件确定所述参考疲劳曲线。

可采用ansys软件或其他软件根据上述的分析条件和力学性能参数，计算出参考疲劳曲线。举例而言，在ansys软件中确定分析条件后，可获得出参考疲劳曲线。

步骤s1420、将所述参考疲劳曲线与预设的标准疲劳曲线范围进行比较，并在所述参考疲劳曲线位于所述标准疲劳曲线范围内的情形下，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定所述试验模型在所述模拟工况下的应力数据。

标准疲劳曲线范围可根据经验数据预先设定，以得到出碳纤维增强复合材料工件的疲劳曲线的合理范围。其可以是疲劳曲线在一坐标系中的合理区间，举例而言，标准疲劳曲线范围可以包括两个疲劳曲线边界，该两个疲劳曲线边界可为疲劳曲线能够存在的极限位置。

在参考疲劳曲线位于标准疲劳曲线范围内的情形下，则说明该参考疲劳曲线合理，此时，力学性能参数合理。由此，可避免输出因误差或软件运行错误等问题造成的不合理的力学性能参数，有利于提高输出结果的准确性。参考疲劳曲线是否位于标准疲劳曲线范围内的过程可通过ansys软件或其它软件实现。

如图2和图4所示，在一实施方式中，根据预设的模拟工况和所述力学性能参数，确定应力数据还可以包括：

步骤s1430、将所述参考疲劳曲线与预设的标准疲劳曲线范围进行比较，并在参考疲劳曲线超出标准疲劳曲线范围的情形下，重新将试验模型划分成多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征。

在参考疲劳曲线全部或部分超出标准疲劳曲线范围时，说明参考疲劳曲线不合理，可判定力学性能参数不合理，可能存在计算误差或软件运行错误等问题，此时，可调节划分的标准，并重新对试验模型进行划分，得到多个分析单元，并确定各所述分析单元的分析特征，即重新执行步骤s120；然后，可重新执行步骤s130，即重新确定力学性能参数，直至参考疲劳曲线位于标准疲劳曲线范围内，说明力学性能参数合理。由此，提高输出结果的准确性。

当然，在本公开的其它实施方式中，也可以不经过上述的步骤s1410-步骤s1430，即不对力学性能参数是否合理进行判断。

如图1和图4所示，在步骤s150中，根据所述应力数据确定所述试验模型的目标疲劳曲线，以作为所述碳纤维增强复合材料工件的疲劳曲线。

根据应力数据可包括应力及其持续时间，从而可在不对工件进行多次试验的情况下，通过模拟分析确定工件的疲劳寿命，实现对疲劳寿命的预测。目标疲劳曲线的图形可参考图5，但需要说明的是，图5中的疲劳曲线仅示出了疲劳曲线的趋势，并不限定为本公开实施方式所得到的目标疲劳曲线。

根据所述应力数据确定目标疲劳曲线可以包括：

步骤s1510、确定分析条件，所述分析条件包括载荷类型、平均应力修正方式、应力分量及疲劳修正参数；

举例而言，在通过ansys软件确定分析条件，可先选择定义疲劳曲线；再选择疲劳分析类型，例如应力疲劳分析；然后，选择一种或多种载荷类型；再选择一种或多种平均应力修正方式；然后，选择一种或多种应力分量，最后，可选择一种或多种疲劳修正参数。

步骤s1520、根据所述应力数据和所述分析条件确定所述目标疲劳曲线。

可采用ansys软件或其他软件根据上述的分析条件和应力数据，计算出目标疲劳曲线。通过目标疲劳曲线可预测碳纤维增强复合材料工件的疲劳寿命。举例而言，在ansys软件中确定分析条件后，可获得出目标疲劳曲线。具体可参考上述参考疲劳曲线的确定，在此不再详述。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。