CN114216789B - 一种考虑温度影响的树脂基复合材料的寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑温度影响的树脂基复合材料寿命预测方法，该方法利用常温下的S‑N曲线单对数模型，通过研究其在不同温度下斜率和截距的变化来表征温度对树脂基复合材料的影响，其中引入基体性能保有率来描述斜率的变化，截距则利用将不同恒定温度下的静压强度拟合成关于温度的三参数指数函数形式来表述，最后建立不同恒定高温下树脂基复合材料S‑N曲线模型。并且与不同加载条件下的试验数据对比，验证了该方法的准确性。树脂基复合材料以其优异的力学性能，已广泛运用在航空航天、轨道交通、建筑工程、能源环保、海洋船舶、医疗器械和体育休闲等领域。本发明提出的方法不仅简单，而且准确性较高具有重大实际意义。

Description

一种考虑温度影响的树脂基复合材料的寿命预测方法
技术领域
本发明可以用于高温单轴循环载荷下的疲劳寿命预测领域，是一种单轴循环加载下考虑恒定高温影响的树脂基复合材料疲劳寿命预测方法。
背景技术
纤维增强复合材料是指以纤维为增强体，以聚合物为基体的复合材料。其具有比强度高、比模量高、密度小、耐腐蚀、阻尼减震性好、抗疲劳和可设计性强等诸多优点，在航空航天、轨道交通、建筑工程、能源环保、海洋船舶、医疗器械和体育休闲等领域中发挥着至关重要的作用。
复合材料已经被大量用于制作机械结构，在实际工程应用中，往往承受着复杂的交变载荷，并且暴露在如高温、潮湿等恶劣的工作环境之中，高温环境下会使复合材料内部结构发生变化，基体转变为橡胶态，从而导致其性能严重下降。研究其在高温下的疲劳行为是十分有必要的，因此，建立出准确的高温下复合材料寿命预测模型具有重要的理论意义。
发明内容
本发明目的在于针对恒定高温下单轴循环载荷下树脂基复合材料的疲劳行为，而提出了一种准确地描述树脂基复合材料的疲劳寿命预测模型。
本发明提出的一种考虑恒定高温影响的树脂基复合材料寿命预测方法，其步骤如下：
步骤(1)：试验所用试件均为板状件，根据其压缩极限强度来设计试验加载应力水平，在不同的恒定加载温度下来获取相应的试验数据；
步骤(2)：通过不同恒定温度下的静压强度试验，将不同恒温下的静压强度拟合成关于温度的三参数指数函数，来表述S-N曲线中截距的变化，公式如下：
其中，T为试验温度；A、B、C为拟合参数；
步骤(3)：通过计算关于温度的三参数指数函数与温度轴T轴的交点，即令σ0(T)＝0，来求得树脂基复合材料不能承受载荷时的温度Tn；
步骤(4)：通过室温下的树脂基复合材料疲劳试验，根据最小二乘法拟合出常温下的复合材料S-N曲线，公式如下：
σmax＝a-blg N
其中，σmax为最大应力，a和b均为拟合材料参数，N为疲劳循环周次。
步骤(5)：认为不同温度下材料S-N曲线截距a的退化情况与静压强度σc一致，引入修正系数α来求得高温下S-N曲线截距与温度T的函数关系为：
σ0(T)＝σc(T)-α
步骤(5)：认为斜率b也随温度影响而退化，最后得到恒定高温下树脂基复合材料疲劳寿命预测模型，公式如下：
式中，T为试验所取温度；T0为室温(一般取25℃)；b0为室温下拟合直线的斜率。
再与不同恒定温度下试验所得寿命进行对比，验证该模型的准确性。
本发明提出的公式具有以下优点：计算简便，只需少量常温下疲劳试验和部分恒定高温下静强度试验，经过计算就可得出恒定高温下树脂基复合材料的预测寿命，大大节省试验所需精力，具有较高的经济价值和实用价值。并且很好的预测了树脂基复合材料在高温下的疲劳寿命，经过试验验证表明，该方法计算得出的预测值与试验值契合度较高，说明该方法具有一定的实用性，且具有一定的工程实际意义。
附图说明
图1试验所用试件形状及尺寸。
图2压缩强度与温度关系曲线。
图3室温下疲劳试验S-N曲线图。
图4本发明方法的计算流程图。
图5本发明方法计算值与200℃和300℃试验值的对比图。
具体实施方式
结合附图说明本发明。
本发明通过疲劳试验和不同恒定温度下静压强度对本试验做出进步一部解释，试验分为两部分，一部分是不同恒定温度下的静压强度试验，另一部则是常温下单轴循环加载疲劳试验，应力比为-1。试验中所用试件为T800/IS2101碳纤维/双马来酰亚胺树脂基复合材料材料，铺层方向为试件尺寸如图1所示。
一种考虑高温影响的树脂基复合材料寿命预测方法，具体计算过程如下：
步骤(1)：试验所用试件均为板状件，根据其压缩极限强度来设计试验加载应力水平，在不同的恒定加载温度下来获取相应的试验数据；
步骤(2)：通过不同恒定温度下的静压强度试验，将不同恒温下的静压强度拟合成关于温度的三参数指数函数，来表述S-N曲线中截距的变化，公式如下：
其中，T为试验温度；A、B、C为拟合参数；
步骤(3)：通过计算关于温度的三参数指数函数与温度轴T轴的交点，即令σ0(T)＝0，来求得树脂基复合材料不能承受载荷时的温度Tn；
步骤(4)：通过常温下的树脂基复合材料疲劳试验，根据最小二乘法拟合出常温下的复合材料S-N曲线，公式如下：
σmax＝a-blg N
其中，σmax为最大应力，a和b均为拟合材料参数，N为疲劳循环周次。
步骤(5)：认为高温下材料S-N曲线截距a的退化情况与静压强度σc一致，引入修正系数α来求得高温下S-N曲线截距与温度T的函数关系为：
σ0(T)＝σc(T)-α
步骤(5)：认为斜率b也随温度影响而退化，最后得到恒定高温下树脂基复合材料疲劳寿命预测模型，公式如下：
式中，T为试验所取温度；T0为室温(一般取25℃)；b0为室温下拟合直线的斜率。
再与不同恒定温度下试验所得寿命进行对比，验证该模型的准确性。
结果表明，本发明提出的高温下树脂基复合材料的寿命预测方法计算值与200℃和300℃试验值相比，预测结果较为理想，对比结果如图5所示。该方法考虑了温度的影响，预测了树脂基复合材料在不同温度下的恒幅疲劳寿命。因此，在复合材料机械结构的强度设计中，尤其在高温下，具有一定的指导价值和实际工程意义。

Claims (2)

1.一种考虑温度影响的树脂基复合材料的寿命预测方法，这种方法的具体计算过程如下：
步骤(1)：试验所用试件均为板状件，根据压缩极限强度来设计试验加载应力水平，在不同的恒定加载温度下来获取相应的试验数据；
步骤(2)：通过不同恒定加载温度下的静压强度试验，将不同恒温下的静压强度拟合成关于温度的三参数指数函数，来表述S-N曲线中截距的变化，公式如下：
其中，T为试验温度；A、B、c为拟合参数；
步骤(3)：通过计算关于温度的三参数指数函数与温度轴T轴的交点，即令σc(T)＝0，求得树脂基复合材料不能承受载荷时的温度Tn；
步骤(4)：通过常温下的树脂基复合材料疲劳试验，根据最小二乘法拟合出常温下的复合材料S-N曲线，公式如下：
σmax＝a-blg N
其中，σmax为最大应力，a和b均为拟合材料参数，N为疲劳循环周次；同时a和b也分别是截距和斜率；
步骤(5)：高温下复合材料S-N曲线截距a的退化情况与静压强度σc一致，引入修正系数α来求得高温下S-N曲线截距与温度T的函数关系为：
σ0(T)＝σc(T)-α
步骤(6)：斜率b随温度影响而退化，最后得到恒定高温下树脂基复合材料疲劳寿命预测模型，公式如下：
式中，T为试验所取温度；T0为室温；b0为室温下的复合材料S-N拟合直线的斜率。
2.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的树脂基复合材料的寿命预测方法，其特征在于：步骤(5)，温度对树脂基复合材料的寿命的影响如下：随着温度升高S-N曲线的截距a和斜率b不断下降，并且在恒定高温下树脂基复合材料疲劳寿命预测模型中表达以上影响。
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