CN107966354B - 一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备 - Google Patents

一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN107966354B
CN107966354B CN201711155248.5A CN201711155248A CN107966354B CN 107966354 B CN107966354 B CN 107966354B CN 201711155248 A CN201711155248 A CN 201711155248A CN 107966354 B CN107966354 B CN 107966354B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fatigue life
unidirectional
fatigue
plate
laminated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711155248.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107966354A (zh
Inventor
吴迪
黄金钊
王悦
张莉
王晓军
邱志平
果立成
肖凯
姚宇地
苏玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Original Assignee
China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Academy of Launch Vehicle Technology CALT filed Critical China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Priority to CN201711155248.5A priority Critical patent/CN107966354B/zh
Publication of CN107966354A publication Critical patent/CN107966354A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107966354B publication Critical patent/CN107966354B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0073—Fatigue

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明提供了一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备，属于材料性能预测与结构设计领域。所述方法包括：建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。本发明提供的方法解决现有技术中预测过于保守，使材料无法被充分利用的问题或预测周期长、经费高的问题。

Description

一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备
技术领域
本发明涉及一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备，属于材料性能预测与结构设计领域。
背景技术
鉴于纤维增强复合材料高比强度、高比模量、良好的耐疲劳性能和减振效果等优异性能，从上世纪80年代起以来，越来越受到工程设计者的青睐，现已广泛的应用于航空航天、船舶、汽车等工程领域。尤其在航空航天器领域中，其性能优势和独有的可设计性特点，被大量的应用到飞行器结构设计当中。
复合材料的疲劳寿命直接反应复合材料结构的使用寿命。因此需要对复合材料进行疲劳寿命预测，以保证复合材料在使用周期内处于正常状态。目前对复合材料寿命的预测方法主要包括传统的“静力覆盖”预测法及以各种强度、刚度“渐降准则”为基础的累积损伤精细化预测方法。
传统的静力覆盖原则预测结果过于保守，使材料无法被充分利用，造成了巨大的浪费；而“积木式”试验测试的手段需要进行大量的实验，预测周期长、预测经费高。
发明内容
本发明技术要解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备以解决现有技术中预测过于保守，使材料无法被充分利用的问题或预测周期长、经费高的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合材料的疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
在一可选实施例中，所述根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
根据各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线以及复合材料破坏准则，确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线。
在一可选实施例中，所述的建立预设角度铺层单向板的性能数据库，包括：
通过静力试验和单轴疲劳试验，获取预设角度铺层单向板的疲劳载荷及对应的疲劳寿命；
建立所述预设角度铺层单向板、疲劳载荷和疲劳寿命的对应关系。
在一可选实施例中，所述疲劳寿命曲线为S-N曲线，所述的构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，包括：
根据最小二乘法拟合所述预设角度单向板对应的S-N曲线。
在一可选实施例中，所述根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
确定层合板各铺层对应的体积分数、静强度及偏轴模量；
根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和确定的静强度，确定对所述层合板的疲劳寿命有贡献的铺层的r-N曲线的斜率和截距，其中r为疲劳应力和静强度的比值；
根据确定的体积分数、偏轴模量及经典层合板理论，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的斜率的贡献因子；
根据铺层角度及所述确定的体积分数，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的截距的贡献因子；
根据所述斜率和截距以及各自的贡献因子，确定层合板的疲劳寿命曲线。
在一可选实施例中，所述预设角度铺层单向板包括0°铺层单向板、45°铺层单向板及90°铺层单向板，所述的确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线，包括：
根据式(1)确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线，
Figure BDA0001474056570000031
其中，
Figure BDA0001474056570000032
为0°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000033
为45°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000034
为90°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000035
为任意角度铺层单向板的疲劳强度。
在一可选实施例中，所述根据所述斜率和截距以及各自的贡献因子，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
根据式(2)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000036
其中，
Figure BDA0001474056570000037
Figure BDA0001474056570000038
Figure BDA0001474056570000039
α为0°铺层体积分数；
β为与45°铺层的体积分数；
A0为0°单向板r-N线性拟合曲线的斜率，r为疲劳应力与σmax0的比值；
B0为0°单向板r-N线性拟合曲线的截距；
P为单周拉伸下层合板的平均拉应力；
σmax0为0°单向板的静强度；
N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
Q11、Q12、Q21、Q22及Q66均为0°铺层偏轴模量矩阵[Q]中的元素。
在一可选实施例中，所述根据所述斜率和截距以及各自的贡献因子，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
根据式(3)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000041
其中，
Figure BDA0001474056570000042
kr为逐层失效所确定的对数寿命曲线的斜率，kp为式(2)的对数寿命曲线的斜率。
在一可选实施例中，γ随α和β变化值如表所示：
Figure BDA0001474056570000043
一种复合材料的疲劳寿命预测装置，包括：
数据库建立模块，用于建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
疲劳寿命曲线建立模块，用于根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
确定模块，用于根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于根据各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线以及复合材料破坏准则，确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线；根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线。
在一可选实施例中，所述数据库建立模块，用于：
通过静力试验和单轴疲劳试验，获取预设角度铺层单向板的疲劳载荷及对应的疲劳寿命；
建立所述预设角度铺层单向板、疲劳载荷和疲劳寿命的对应关系。
在一可选实施例中，所述疲劳寿命曲线为S-N曲线，所述疲劳寿命曲线建立模块，用于：
根据最小二乘法拟合所述预设角度单向板对应的S-N曲线。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
确定层合板各铺层对应的体积分数、静强度及偏轴模量；
根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和确定的静强度，确定对所述层合板的疲劳寿命有贡献的铺层的r-N曲线的斜率和截距，其中r为疲劳应力和静强度的比值；
根据确定的体积分数、偏轴模量及经典层合板理论，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的斜率的贡献因子；
根据铺层角度及所述确定的体积分数，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的截距的贡献因子；
根据所述斜率和截距以及各自的贡献因子，确定层合板的疲劳寿命曲线。
在一可选实施例中，所述预设角度铺层单向板包括0°铺层单向板、45°铺层单向板及90°铺层单向板，所述确定模块，用于：
根据式(1)确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线，
Figure BDA0001474056570000051
其中，
Figure BDA0001474056570000061
为0°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000062
为45°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000063
为90°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000064
为任意角度铺层单向板的疲劳强度。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
根据式(2)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000065
其中，
Figure BDA0001474056570000066
Figure BDA0001474056570000067
Figure BDA0001474056570000068
α为0°铺层体积分数；
β为与45°铺层的体积分数；
A0为0°单向板r-N线性拟合曲线的斜率，r为疲劳应力与σmax0的比值；
B0为0°单向板r-N线性拟合曲线的截距；
P为单周拉伸下层合板的平均拉应力；
σmax0为0°单向板的静强度；
N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
Q11、Q12、Q21、Q22及Q66均为0°铺层偏轴模量矩阵[Q]中的元素。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
根据式(3)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000069
其中，
Figure BDA00014740565700000610
kr为逐层失效所确定的对数寿命曲线的斜率，kp为式(2)的对数寿命曲线的斜率。
在一可选实施例中，γ随α和β变化值如表所示：
Figure BDA0001474056570000071
一种电子设备，包括存储器及处理器：
所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；
所述处理器用于执行所述一条或多条计算机指令，以用于：
建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明实施例提供的复合材料的疲劳寿命预测方法，通过建立预设角度铺层单向板的性能数据库，并根据所述性能数据库构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，从而根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，通过所述疲劳受命曲线即可预测复合材料的疲劳寿命；该方法预测结果较为准确，极大地提高了材料的利用率，同时，无需进行大量试验、预测周期短，极大地降低了预测成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种复合材料的疲劳寿命预测方法流程图；
图2a为本发明一具体实施例提供的单向板的静力试验和单轴疲劳试验的拉伸试验件正视图；
图2b为本发明一具体实施例提供的单向板的静力试验和单轴疲劳试验的拉伸试验件俯视图；
图3a为本发明一具体实施例提供的单向板的静力试验和单轴疲劳试验的压缩试验件正视图；
图3b为本发明一具体实施例提供的单向板的静力试验和单轴疲劳试验的压缩试验件俯视图；
图4为本发明一具体实施例提供的15°铺层单向板的疲劳寿命的S-N曲线预测值和实验值对比图；
图5为本发明一具体实施例提供的30°铺层单向板的疲劳寿命的S-N曲线预测值和实验值对比图；
图6为本发明一具体实施例提供的60°铺层单向板的疲劳寿命的S-N曲线预测值和实验值对比图；
图7为本发明一具体实施例提供的75°铺层单向板的疲劳寿命的S-N曲线预测值和实验值对比图；
图8为本发明一具体实施例提供的[0/45/90/-45]2s典型层合结构的r-N曲线和r0-N0曲线对比图；
图9为本发明一具体实施例提供的[0/45/90/-45]2s典型层合结构的S-N曲线预测值和实验值对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明实施例提供了一种复合材料的疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤101：建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
具体地，本发明实施例中，预设角度铺层例如可以是0°铺层、15°铺层、30°铺层、45°铺层等任意铺层角度，优选对疲劳寿命贡献较大的铺层角度；
可以通过力学性能试验、疲劳试验等获得预设角度铺层单向板的极限载荷，根据极限载荷确定单向板疲劳试验载荷，按照疲劳试验载荷进行疲劳试验即可获得对应的疲劳寿命；本发明实施例中，优选通过静力试验和单轴疲劳试验获取预设角度铺层单向板的疲劳载荷及对应的疲劳寿命，建立所述预设角度铺层单向板、疲劳载荷和疲劳寿命的对应关系，得到预设角度铺层单向板的性能数据库，本数据库中还可以包含静强度等其他实测性能参数与所述预设角度铺层单向板的对应关系。
通过静力试验和单轴疲劳试验建立数据库，使数据库能够直接反应预设铺层角度单向板的静力特性和疲劳特性，且数据较全面、精确，能够保证任意角度单向板和任意铺层层合板疲劳寿命预测的精度；采用预设角度单项板元件级试验的试验结果数据建立数据库的效果在于能够降低结构形式、铺层序列以及试验边界等不确定因素对所获得数据精确程度的影响，直观的反应层合复合材料结构的基础性能数据，并作为基础用于后续复杂铺层序列及复杂形式复合材料结构疲劳性能的推演。
步骤102：根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
具体地，疲劳寿命曲线可以包括S-N曲线、r-N曲线等任意形式的疲劳寿命曲线，优选S-N曲线，优选通过最小二乘法拟合得到所述预设角度单向板对应的S-N曲线。应用以“残差平方和最小”为原则的最小二乘法作为数据拟合的途径，其优势除计算方便以外，对异常试验值非常敏感，有效降低了由于试验偏差所导致的分散性较大的数据对曲线拟合效果的影响，更适用于样本不大的疲劳性能试验数据拟合。
步骤103：根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
本发明实施例中，优选根据各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线以及复合材料破坏准则，确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线；根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线。
具体地，复合材料破坏准则可以是Tsai-Hill破坏准则、Hoffman准则、Tsai-Wu张量准则等，优选根据Tsai-Hill破坏准则，确定任意角度铺层单向板疲劳寿命曲线与各所述预设角度单向板的疲劳寿命曲线的对应关系；根据确定的对应关系及各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线。Tsai-Hill破坏准则将基本的强度信息耦合在一个关系式中，综合考虑了结构的拉、压强度的相互影响，与试验结果吻合较好，尤其适用于描述复合材料拉、压疲劳性能存在差异性的客观现象。
具体地，本发明实施例中，首先确定层合板各铺层对应的体积分数、静强度及偏轴模量；根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和确定的静强度，确定对所述层合板的疲劳寿命有贡献的铺层的r-N曲线的斜率和截距，其中r为疲劳应力和静强度的比值；根据确定的体积分数、偏轴模量及经典层合板理论，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的斜率的贡献因子；根据铺层角度及所述确定的体积分数，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的截距的贡献因子；
其中，所述贡献因子可以是常数也可以是影响因素的函数，所述影响因素可以包括各单向板的静强度、偏轴模量以及在层合板中的体积分数等，具体可以根据所选的铺层角度及层合板理论确定，本发明不做限定。
本发明实施例提供的复合材料的疲劳寿命预测方法，通过建立预设角度铺层单向板的性能数据库，并根据所述性能数据库构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，从而确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线，根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线，通过所述疲劳受命曲线即可预测复合材料的疲劳寿命；该方法预测结果较为准确，极大地提高了材料的利用率，同时，无需进行大量试验、预测周期短，极大地降低了预测成本。
在一具体实施例中，预设角度铺层单向板包括0°铺层单向板、45°铺层单向板及90°铺层单向板，根据式(1)确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000111
其中，
Figure BDA0001474056570000112
为0°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000113
为45°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000114
为90°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000115
为任意角度铺层单向板的疲劳强度。
指定r为疲劳应力与σmax0的比值，式(1)通过变换得到任意铺层角度单向板r-N曲线，进而可以获得任意铺层角度单项板r-N曲线的斜率和截距。
设在任意层合板中各铺层角度的单向板的斜率为：
[Aθ]＝{Aθk},k＝1、2…、z，
设在任意层合板中各铺层角度的单向板的截距为：
[Bθ]＝{Bθk},k＝1、2…z
其中，z优选小于等于7的正整数(即工程中一般用到的0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°铺层)，θk代表组成层合板的第1、2…z种铺层角度。
由经典层合板理论可知，在外载荷作用下，任意铺层序列中某层的应力可以表示为：
Figure BDA0001474056570000116
其中，
Figure BDA0001474056570000117
为k种铺层的偏轴刚度矩阵；[E]-1中元素为
Figure BDA0001474056570000118
Figure BDA0001474056570000119
为偏轴刚度矩阵中的元素，tk为第k种铺层的厚度，{F}为外载荷；
在给定的循环外载荷幅值的作用下，可以通过上式计算出任意铺层层合板中任意一层的应力；
根据经典层合板理论和突降失效准则可以推导出任意铺层层合板的疲劳寿命N满足的如下关系式：
Figure BDA0001474056570000121
其中，Λk为层合板中该角度铺层的平均应力，为各角度铺层角度所占的体积分数、各铺层角度单向板的静强度及各个铺层角度单项板偏轴模量的函数；z为层合板中对层合板铺层有贡献的铺层角度的数量；pk为第k种铺层(角度为θk的铺层)的斜率权重，与该种铺层所占的体积分数及该铺层角度有关；θk为第k种铺层(角度为θk的铺层)的截距权重，与该种铺层所占的体积分数及该铺层角度有关；
当本实施例中提供的层合板只包含0°、45°及90°铺层，且认为只有0°铺层对层合板的疲劳寿命有贡献，即z＝1，θ1＝0°时，由式(5)可得式(2)：
Figure BDA0001474056570000122
其中，
Figure BDA0001474056570000123
Figure BDA0001474056570000124
Figure BDA0001474056570000125
α为0°铺层体积分数；
β为与45°铺层的体积分数；
A0为0°单向板r-N线性拟合曲线的斜率，r为疲劳应力与σmax0的比值；
B0为0°单向板r-N线性拟合曲线的截距；
P为单周拉伸下层合板的平均拉应力；
σmax0为0°单向板的静强度；
N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
Q11、Q12、Q21、Q22及Q66均为0°铺层偏轴模量矩阵[Q]中的元素。
根据式(2)确定层合板的疲劳寿命曲线，该寿命曲线可以对任意铺层序列的含有0°、45°和90°三种角度单项板组成的层合结构在任意大小疲劳载荷作用下的寿命进行预测，亦可根据给定的疲劳寿命确定任意铺层序列的含有0°、45°和90°三种角度单项板组成的层合结构的疲劳应力许用值，直接指导工程设计。
进一步地，在另一具体实施例中，根据式(3)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000131
其中，
Figure BDA0001474056570000132
kr为逐层失效所确定的对数寿命曲线的斜率，kp为式(2)的对数寿命曲线的斜率。
较之式(2)，式(3)可以更精确的给出任意铺层序列的含有0°、45°和90°三种角度单项板组成的层合结构在任意大小疲劳载荷作用下的寿命，及给定的疲劳寿命确定任意铺层序列的含有0°、45°和90°三种角度单项板组成的层合结构的疲劳应力许用值，直接指导工程设计。
以下为本发明的一具体实施例：
a)制作复合材料材料的0°、45°、90°铺层单向板的静力试验和单轴疲劳试验的拉伸试验件及压缩试验件，所述复合材料以环氧树脂为树脂基体，以碳纤维作为增强体，拉伸试验件结构如图2a和2b所示，压缩试验件结构如图3a和3b所示，两种试验件均包括铝质夹持片和复合材料主体结构，其中拉伸试验件和压缩试验件的宽度均为25mm、拉伸试验件的长度为230mm，压缩试验件的长度为135mm，拉伸试验件夹持片长度为50mm，压缩试验件夹持片长度为55mm，其中拉伸试验件夹持片有15°倾角过渡，夹持片厚度介于复合材料待测试验件厚度的0.5倍到1倍之间，拉伸试验件待测区域有效长度为130mm，压缩试验件待测区域有效长度25mm；
采用制作的试验件进行元件级静力试验(拉伸试验、压缩试验)测得在静力载荷作用下的上述铺层单向板的极限强度和破坏载荷；采用制作的试验件，在分别以50％、60％、70％、80％、90％比例的破坏载荷作用下，进行应力比R(取0.1)下的单轴疲劳(拉-拉疲劳、压-压疲劳)试验，获得不同载荷下的疲劳寿命；建立包含0°、45°、90°铺层单向板与疲劳载荷、疲劳寿命的对应关系的性能数据库；
b)根据a)中所得性能数据库，通过最小二乘发分别拟合绘制出0°、45°、90°铺层方向单向板的S-N曲线。
c)由Tsai-Hill破坏准则可知，单向板层合结构在满足式(6)时发生破坏。
Figure BDA0001474056570000141
其中σ11为0°铺层单向板的工作应力，σ12为45°铺层单向板的工作应力，σ22为90°铺层单向板的工作应力，
Figure BDA0001474056570000142
为0°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000143
为45°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000144
为90°铺层单向板的疲劳强度。将
Figure BDA0001474056570000145
表示为N疲劳寿命、R应力比、f加载频率的函数，即：
Figure BDA0001474056570000146
通过试验数据证明f对疲劳强度的影响可以忽略，因此，在给定的应力比R下，疲劳极限仅为疲劳寿命N的单值函数，则式(6)可以改写为：
Figure BDA0001474056570000147
依据弹性应力理论基础，任意铺层的疲劳强度均可写为0°、45°、90°铺层疲劳极限的函数，即
Figure BDA0001474056570000148
通过试验验证任意铺层单向板S-N曲线的准确性，验证结果如图4-7所示。
d)根据经典层合板理论，在外载荷作用下，任意铺层序列中某层的应力可以表示为：
Figure BDA0001474056570000151
其中，
Figure BDA0001474056570000152
为k中铺层的偏轴刚度矩阵；[E]-1中元素为
Figure BDA0001474056570000153
Figure BDA0001474056570000154
为偏轴刚度矩阵中的元素，tk为第k种铺层的厚度，{F}为外载荷；
则在给定的循环外载荷幅值的作用下，可以通过上式计算出任意铺层层合板中任意一层的应力，进而可以通过c)中获得的S-N曲线获得该层的疲劳寿命。
在0°、45°和90°三种铺层角度的单向板破坏以后的退化原则分别为：“若±45°层发生破坏，
Figure BDA0001474056570000155
折减为原来的0.5倍；若90°层发生破坏，
Figure BDA0001474056570000156
折减为原来的0.2倍；若0°发生破坏，
Figure BDA0001474056570000157
中所有其他的元素全部折减为零。以上折减准则，通过大量试验数据统计结果给出，具有工程实际意义，可以为寿命的预测提供可靠的结构性能退化参数。
e)将循环载荷下试件的应力幅值除以试件的静强度，把该比值定义为r，寿命仍然采用对数寿命，则可建立一种变形的S-N曲线，即r-N曲线。从经验可知，层合结构在单向载荷作用下的疲劳寿命主要取决于0°铺层的疲劳寿命和比例所决定，现将层合板疲劳寿命经验公式建立在0°铺层单向板的S-N曲线的基础之上，对其进行修正，以反映不同情况的影响。应用经典层合理论，将层合板中0°单向板纤维方向的工作应力除以0°单向板的静强度，将其定义为r0，把r0代入到0°单向板的r-N曲线中，可以得到层合板中0°单向板破坏时的循环次数，定义为N0,进而可以得到r0-N0曲线。典型层合结构的r-N曲线和r0-N0曲线对比如图8所示，通过对比结果可以看出，层合板的r0-N0曲线可以紧包含r-N曲线。
f)由d)、e)可知，各层的应力是层合板的平均应力、各层的体积分数、单向板的刚度矩阵等的函数，因此可得：
Figure BDA0001474056570000161
其中，
Figure BDA0001474056570000162
Figure BDA0001474056570000163
Figure BDA0001474056570000164
α为0°铺层体积分数；
β为与45°铺层的体积分数；
A0为0°单向板r-N线性拟合曲线的斜率，r为疲劳应力与σmax0的比值；
B0为0°单向板r-N线性拟合曲线的截距；
P为单周拉伸下层合板的平均拉应力；
σmax0为0°单向板的静强度；
N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
Q11、Q12、Q21、Q22及Q66均为0°铺层偏轴模量矩阵[Q]中的元素。
以为[0/45/90/-45]2s序列铺层层合板为对象，应用式(2)对该典型层合板进行疲劳性能预测与试验数据结果比较，如图9所示，预测结果紧包含试验结果，充分说明等效公式的可靠性和精确性。
g)应用d)所提出的逐层破坏计算层合板寿命的计算方法，可以得到以典型单向板为基础的任意铺层层合板的疲劳寿命数据，并以这些数据为基础，对f)中提出的公式(2)进行修正。
定义铺层影响系数
Figure BDA0001474056570000165
其中kr为逐层失效所确定的对数寿命曲线的斜率，kp为式(2)的对数寿命曲线的斜率，γ的计算结果如表1所示。
表1γ随α和β变化值
Figure BDA0001474056570000166
Figure BDA0001474056570000171
应用γ对式(2)进行修正，得到适用于任意铺层的典型层合板疲劳特性等效曲线公式。
Figure BDA0001474056570000172
一种复合材料的疲劳寿命预测装置，包括：
数据库建立模块，用于建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
疲劳寿命曲线建立模块，用于根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
确定模块，用于根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于根据各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线以及复合材料破坏准则，确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线；根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线。
在一可选实施例中，所述数据库建立模块，用于：
通过静力试验和单轴疲劳试验，获取预设角度铺层单向板的疲劳载荷及对应的疲劳寿命；
建立所述预设角度铺层单向板、疲劳载荷和疲劳寿命的对应关系。
在一可选实施例中，所述疲劳寿命曲线为S-N曲线，所述疲劳寿命曲线建立模块，用于：
根据最小二乘法拟合所述预设角度单向板对应的S-N曲线。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
确定层合板各铺层对应的体积分数、静强度及偏轴模量；
根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和确定的静强度，确定对所述层合板的疲劳寿命有贡献的铺层的r-N曲线的斜率和截距，其中r为疲劳应力和静强度的比值；
根据确定的体积分数、偏轴模量及经典层合板理论，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的斜率的贡献因子；
根据铺层角度及所述确定的体积分数，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的截距的贡献因子；
根据所述斜率和截距以及各自的贡献因子，确定层合板的疲劳寿命曲线。
在一可选实施例中，所述预设角度铺层单向板包括0°铺层单向板、45°铺层单向板及90°铺层单向板，所述确定模块，用于：
根据式(1)确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线，
Figure BDA0001474056570000181
其中，
Figure BDA0001474056570000182
为0°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000183
为45°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000184
为90°铺层单向板的疲劳强度，
Figure BDA0001474056570000185
为任意角度铺层单向板的疲劳强度。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
根据式(2)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000186
其中，
Figure BDA0001474056570000187
Figure BDA0001474056570000191
Figure BDA0001474056570000192
α为0°铺层体积分数；
β为与45°铺层的体积分数；
A0为0°单向板r-N线性拟合曲线的斜率，r为疲劳应力与σmax0的比值；
B0为0°单向板r-N线性拟合曲线的截距；
P为单周拉伸下层合板的平均拉应力；
σmax0为0°单向板的静强度；
N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
Q11、Q12、Q21、Q22及Q66均为0°铺层偏轴模量矩阵[Q]中的元素。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
根据式(3)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure BDA0001474056570000193
其中，
Figure BDA0001474056570000194
kr为逐层失效所确定的对数寿命曲线的斜率，kp为式(2)的对数寿命曲线的斜率。
在一可选实施例中，γ随α和β变化值如表所示：
Figure BDA0001474056570000195
Figure BDA0001474056570000201
本实施例与方法实施例一一对应，具体描述及效果参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器：
所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；
所述处理器用于执行所述一条或多条计算机指令，以用于：
建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
本发明实施例提供的处理器用于实现方法实施例提供的方法，具体描述详见方法实施例，在此不再赘述。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种层状铺设的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述层合板的疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命；
所述根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
根据各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线以及复合材料破坏准则，确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线；
所述的建立预设角度铺层单向板的性能数据库，包括：
通过静力试验和单轴疲劳试验，获取预设角度铺层单向板的疲劳载荷及对应的疲劳寿命；
建立所述预设角度铺层单向板、疲劳载荷和疲劳寿命的对应关系。
2.根据权利要求1所述的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述疲劳寿命曲线为S-N曲线，所述的构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，包括：
根据最小二乘法拟合所述预设角度单向板对应的S-N曲线。
3.根据权利要求1所述的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和经典层合板理论，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
确定层合板各铺层对应的体积分数、静强度及偏轴模量；
根据所述任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线和确定的静强度，确定对所述层合板的疲劳寿命有贡献的铺层的r-N曲线的斜率和截距，其中r为疲劳应力和静强度的比值，N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
根据确定的体积分数、偏轴模量及经典层合板理论，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的斜率的贡献因子；
根据铺层角度及所述确定的体积分数，确定所述有贡献的铺层的r-N曲线的截距的贡献因子；
根据所述斜率和截距以及各自的贡献因子，确定层合板的疲劳寿命曲线。
4.根据权利要求3所述的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述预设角度铺层单向板包括0°铺层单向板、45°铺层单向板及90°铺层单向板，所述的确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线，包括：
根据式(1)确定任意角度铺层单向板对应的疲劳寿命曲线：
Figure FDA0002336685710000021
其中，
Figure FDA0002336685710000022
为0°铺层单向板的疲劳强度，
Figure FDA0002336685710000023
为45°铺层单向板的疲劳强度，
Figure FDA0002336685710000024
为90°铺层单向板的疲劳强度，
Figure FDA0002336685710000025
为任意角度铺层单向板的疲劳强度，θk代表组成层合板的第1、2…z种铺层角度，N为P载荷下层合板的疲劳寿命。
5.根据权利要求1所述的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
根据式(2)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure FDA0002336685710000026
其中，
Figure FDA0002336685710000027
Figure FDA0002336685710000031
Figure FDA0002336685710000032
α为0°铺层体积分数；
β为与45°铺层的体积分数；
A0为0°单向板r-N线性拟合曲线的斜率，r为疲劳应力与σmax0的比值；
B0为0°单向板r-N线性拟合曲线的截距；
P为单周拉伸下层合板的平均拉应力；
σmax0为0°单向板的静强度；
N为P载荷下层合板的疲劳寿命；
Q11、Q12、Q21、Q22及Q66均为0°铺层偏轴模量矩阵[Q]中的元素。
6.根据权利要求5所述的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，包括：
根据式(3)确定层合板的疲劳寿命曲线：
Figure FDA0002336685710000033
其中，
Figure FDA0002336685710000034
kr为逐层失效所确定的对数寿命曲线的斜率，kp为式(2)的对数寿命曲线的斜率。
7.根据权利要求6所述的复合材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，γ随α和β变化值如表所示：
Figure FDA0002336685710000035
Figure FDA0002336685710000041
8.一种层状铺设的复合材料的疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：
数据库建立模块，用于建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
疲劳寿命曲线建立模块，用于根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
确定模块，用于根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述层合板的疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器：
所述存储器用于存储多条计算机指令；
所述处理器用于执行所述多条计算机指令，以用于：
建立预设角度铺层单向板的性能数据库，所述数据库包含各预设角度铺层单向板对应的疲劳载荷和疲劳寿命；
根据所述性能数据库，构建各所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线；
根据所述预设角度单向板对应的疲劳寿命曲线，确定层合板的疲劳寿命曲线，以根据所述层合板的疲劳寿命曲线预测复合材料疲劳寿命。
CN201711155248.5A 2017-11-20 2017-11-20 一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备 Active CN107966354B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711155248.5A CN107966354B (zh) 2017-11-20 2017-11-20 一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711155248.5A CN107966354B (zh) 2017-11-20 2017-11-20 一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107966354A CN107966354A (zh) 2018-04-27
CN107966354B true CN107966354B (zh) 2020-05-08

Family

ID=62001274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711155248.5A Active CN107966354B (zh) 2017-11-20 2017-11-20 一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107966354B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110135045B (zh) * 2019-05-09 2023-05-26 中国飞机强度研究所 一种复合材料薄壁管拉扭非比例恒幅试验载荷设计方法
CN110705163B (zh) * 2019-09-30 2021-10-01 北京航空航天大学 一种复合材料层合结构的疲劳系统可靠性分析方法
CN111090933B (zh) * 2019-12-11 2023-04-07 中国飞机强度研究所 一种复合材料单向层压板寿命预测方法
CN112630065B (zh) * 2020-12-21 2022-06-21 深圳市信维通信股份有限公司 一种fpc折弯疲劳寿命s-n曲线的多数据测试方法
CN113111450B (zh) * 2021-03-10 2022-07-19 博世华域转向系统有限公司 一种纳入温度因子的塑料蜗轮疲劳破坏寿命预测方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5131212B2 (ja) * 2009-01-21 2013-01-30 Ｊｆｅスチール株式会社 材料状態推定方法
CN102778404A (zh) * 2012-06-19 2012-11-14 中国人民解放军空军工程大学 基于材料r曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法
CN103942441B (zh) * 2014-04-25 2016-10-05 上海交通大学 基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法
CN104156500A (zh) * 2014-07-10 2014-11-19 东北大学 一种预测材料疲劳寿命的方法
CN105631073B (zh) * 2014-10-31 2019-05-21 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 一种优化制造复合材料波纹梁的方法
CN105523195A (zh) * 2015-10-19 2016-04-27 中国人民解放军空军工程大学 一种基于系列材料性能指标的飞机结构选材方法
CN105701312A (zh) * 2015-12-17 2016-06-22 南京航空航天大学 复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为预测方法
CN105488310B (zh) * 2016-01-22 2018-07-31 重庆大学 一种归一化cfrp多向层合板疲劳分层扩展速率预测方法
CN105760619B (zh) * 2016-03-10 2018-06-29 北京航空航天大学 一种考虑疲劳可靠性的复合材料铺层优化设计方法
CN107256320A (zh) * 2017-07-28 2017-10-17 中科机器人科技有限公司 一种基于复合材料铺层的小型手抛无人机的有限元分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107966354A (zh) 2018-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107966354B (zh) 一种复合材料的疲劳寿命预测方法、装置及电子设备
Christovasilis et al. Evaluation of the mechanical properties of cross laminated timber with elementary beam theories
CN111368389B (zh) 一种预测复合材料层合板失效强度的方法
Brena et al. Fatigue tests of reinforced concrete beams strengthened using carbon fiber-reinforced polymer composites
CN111680436A (zh) 基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置
Panda et al. Hygrothermal effects on free vibration of delaminated woven fiber composite plates–Numerical and experimental results
CN111209704A (zh) 基于偏轴拉伸的碳纤维复合材料动态剪切强度测试方法
CN106126773A (zh) 一种基于终层失效的含不确定参数复合材料层合板的强度预测方法
Berthelot et al. Damping analysis of unidirectional glass fiber composites with interleaved viscoelastic layers: experimental investigation and discussion
Yang et al. The application of reliability methods in the design of tophat stiffened composite panels under in-plane loading
Lindyberg et al. ReLAM: Nonlinear probabilistic model for the analysis of reinforced glulam beams in bending
Chirica et al. RETRACTED: Buckling behavior of the multiple delaminated composite plates under shear and axial compression
Mishra Experimental and analytical studies on scrap tire rubber pads for application to seismic isolatiion of structures
CN112926244A (zh) 一种复合材料层合板开孔件极限载荷确定方法
CN111090933B (zh) 一种复合材料单向层压板寿命预测方法
Davalos et al. Buckling behavior of honeycomb FRP core with partially restrained loaded edges under out-of-plane compression
Krätzig et al. Assessment of structural damage and failure
Wang et al. Structural-acoustic modeling and analysis of carbon/glass fiber hybrid composite laminates
Candelaria et al. Determination of the properties of Bambusa blumeana using full-culm compression tests and layered tensile tests for finite element model simulation using orthotropic material modeling
Berthelot et al. Non-linear behaviour of foam cores and sandwich materials, Part 1: Materials and modelling
Zalcmanis et al. Birch plywood sample tension and bending property investigation and validation in solidworks environment
Lasn et al. Back-calculation of elastic moduli of a ply from the moduli of cross-ply laminates
Matilainen et al. Free vibration of CLT plates
Caramatescu et al. A New Concept of Composite Material for High Speed Boats
Ganesan et al. An experimental study on the behaviour of GFRP pultruded I beam reinforced with CFRP laminates

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant