CN115862789B - 纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法 - Google Patents

纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，包括：步骤一、基体材料P‑ε‑N曲线获取；步骤二、基体热残余应力计算；步骤三、根据步骤一和步骤二建立考虑热残余应力的低周疲劳寿命方程；步骤四、采用宏观有限元法分析得到服役条件下金属基复合材料宏观应变范围；步骤五、根据得到的宏观应变范围和建立的的金属基复合材料低周疲劳寿命方程预测单向连续纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命。本发明应用于SiC纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测，在室温下，预测结果与构件低周疲劳寿命试验结果偏差在3倍分散带以内。

Description

纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法。
背景技术
轮盘是航空发动机的关重零件，常规金属整体叶盘结构虽然省去了榫连接结构，相对于盘榫连接叶盘有了一定的减重，但其难以满足更高推重比发动机的需要。要在已广泛采用整体叶盘结构的发动机的基础上实现进一步的减重，具有更高比强度的金属基复合材料构件将成为新一代转子结构或其他有高比刚度、比强度要求的结构。
而航空发动机属于高精尖技术产品，其安全性和耐久性要求很高，金属基复合材料构件是一种新型结构，而复合材料由于其特殊的加工工艺以及各个组分间不同的性能，导致其疲劳特性不能再利用现有技术进行分析，必须依据其特殊的工艺特征和材料特性建立适合复合材料的低周寿命模型，以便准确预测复合材料在交变载荷下的疲劳寿命，以满足航空发动机的设计要求。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，以准确预测复合材料在交变载荷下的疲劳寿命。
本说明书实施例提供以下技术方案：一种纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，包括：步骤一、基体材料P-ε-N曲线获取；步骤二、基体热残余应力计算；步骤三、根据步骤一和步骤二建立考虑热残余应力的低周疲劳寿命方程；步骤四、采用宏观有限元法分析得到服役条件下金属基复合材料宏观应变范围；步骤五、采用步骤四得到的宏观应变范围和步骤三建立的的金属基复合材料低周疲劳寿命方程预测单向连续纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命。
进一步地，步骤一具体为：制备与金属基复合材料经历相同的工艺过程的金属基体随炉试样；测取脉动循环下随炉试样在金属基复合材料构件工作温度下的低周疲劳寿命，应变范围等级不少于5级，每应变范围等级试样数量不少于3件，寿命范围应覆盖103~105；对低周疲劳寿命数据进行拟合，获取基体材料P-ε-N曲线。
进一步地，步骤一还包括：通过公式
Figure SMS_1
对基体材料P-ε-N曲线进行表征，其中，/>
Figure SMS_2
为基体材料弹性模量，/>
Figure SMS_3
为基体金属的强度系数，/>
Figure SMS_4
为疲劳延性系数，b为弹性指数，c为塑性指数，/>
Figure SMS_5
为应变范围。
进一步地，步骤二包括：获取金属基复合材料热等静压固化温度以及金属基复合材料构件的服役温度，利用纤维和基体的热膨胀系数计算基体沿纤维方向的热残余应力；根据混合率法，获取单向连续纤维增强金属基复合材料纤维方向线膨胀系数，并计算基体材料在复合材料中的热残余应力。
进一步地，连续纤维增强金属基复合材料纤维方向线膨胀系数为
Figure SMS_6
；
复合材料中基体的热应变为
Figure SMS_7
；
基体材料
Figure SMS_8
下的自由热应变为/>
Figure SMS_9
；
基体材料在复合材料中的热残余应力为
Figure SMS_10
；
式中：
Figure SMS_14
为基体材料固化温度与服役温度的温差；/>
Figure SMS_17
、/>
Figure SMS_20
为金属和基体在固化温度下的热膨胀系数，/>
Figure SMS_11
为纤维的弹性模量，/>
Figure SMS_16
、/>
Figure SMS_18
为基体和纤维的体积分数，/>
Figure SMS_21
为复合材料等效热膨胀系数，/>
Figure SMS_12
为复合材料中基体热应变，/>
Figure SMS_15
为自由状态/>
Figure SMS_19
下基体材料热应变，/>
Figure SMS_22
为基体在/>
Figure SMS_13
下的残余热应力。
进一步地，步骤三具体为采用热残余应力修正疲劳强度系数
Figure SMS_23
，建立考虑热残余应力的金属基复合材料低周疲劳寿命方程，具体如下：
Figure SMS_24
。
进一步地，步骤四具体为：将金属基复合材料视为均匀材料建立宏观有限元模型，复合材料和金属包套间采用共节点或者耦合各向自由度的强界面连接，加载服役环境的边界条件，通过有限元分析得到金属基复合材料在服役循环下最大的宏观应变范围
Figure SMS_25
。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明提供了一种工程适用的单向连续SiC纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，并应用于单向连续SiC纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测，在室温下，预测结果与构件低周疲劳寿命试验结果偏差在3倍分散带以内。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明实施例的流程示意图；
图2 是某基体材料测取的P-ε-N曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图2所示，本发明实施例提供了一种纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，具体包括以下步骤：
步骤一：基体材料P-ε-N曲线获取。制备金属基复合材料基体金属材料随炉试样，试样要求与金属基复合材料经历相同的工艺过程，测取应变比为0.05、不同应变范围的近似脉动循环下随炉试样在金属基复合材料构件工作温度下的低周疲劳寿命，对寿命数据点进行拟合，获取基体材料的P-ε-N曲线，某基体材料P-ε-N曲线如图2所示，以manson-coffin公式表征如公式1所示，其中，图2中Δεt为总应变范围，Δεe为弹性应变范围，Δεp为塑性应变范围。
Figure SMS_26
（1）
式中，
Figure SMS_27
为基体材料弹性模量，/>
Figure SMS_28
为基体金属的强度系数，/>
Figure SMS_29
为疲劳延性系数，b为弹性指数，c为塑性指数，/>
Figure SMS_30
为应变范围。
步骤二：基体热残余应力计算。获取金属基复合材料热等静压固化温度以及金属基复合材料构件的服役温度，利用纤维和基体的热膨胀系数计算基体沿纤维方向的热残余应力；因金属基体热膨胀系数一般比SiC纤维大，基体在复合材料制备过程中所产生的热残余应力为拉应力。根据混合率法，连续纤维增强金属基复合材料纤维方向线膨胀系数见下式：
Figure SMS_31
（2）
复合材料中基体的热应变为：
Figure SMS_32
（3）
基体材料
Figure SMS_33
下的自由热应变为：
Figure SMS_34
（4）
基体材料在复合材料中的热残余应力：
Figure SMS_35
（5）
将公式（2）带入公式（5），可得：
Figure SMS_36
（6）
式中：
Figure SMS_39
为基体材料固化温度与服役温度的温差；/>
Figure SMS_43
、/>
Figure SMS_46
为金属和基体在固化温度下的热膨胀系数，/>
Figure SMS_38
为纤维的弹性模量，/>
Figure SMS_41
、/>
Figure SMS_44
为基体和纤维的体积分数，/>
Figure SMS_47
为复合材料等效热膨胀系数，/>
Figure SMS_37
为复合材料中基体热应变，/>
Figure SMS_42
为自由状态/>
Figure SMS_45
下基体材料热应变，/>
Figure SMS_48
为基体在/>
Figure SMS_40
下的残余热应力。
步骤三：建立考虑热残余应力的低周疲劳寿命方程。结合步骤一测得的基体金属P-ε-N曲线和步骤二计算得到的金属基复合材料热残余应力，采用热残余应力修正疲劳强度系数
Figure SMS_49
，建立考虑热残余应力的金属基复合材料低周疲劳寿命方程，如下式所示。
Figure SMS_50
（7）
步骤四：采用宏观有限元法分析得到服役条件下金属基复合材料
Figure SMS_51
。将金属基复合材料视为均匀材料建立宏观有限元模型，复合材料和金属包套间界面采用共节点或者耦合各向自由度的强界面连接，加载服役环境的边界条件，通过有限元分析得到金属基复合材料在服役循环下最大的宏观应变范围位置以及应变范围/>
Figure SMS_52
。
步骤五：通过有限元计算得到宏观应变范围
Figure SMS_53
和公式（7）联立计算式（7）中的
Figure SMS_54
，即为所分析的金属基复合材料低周疲劳寿命。
本发明提供了一种工程适用的单向连续SiC纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命。并应用于单向连续SiC纤维增强的金属基复合材料低周疲劳寿命预测，在室温下，预测结果与试棒低周疲劳寿命试验结果偏差在3倍分散带以内。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (2)

1.一种纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
步骤一、基体材料P-ε-N曲线获取；
步骤二、基体热残余应力计算；
步骤三、根据所述步骤一和所述步骤二建立考虑热残余应力的低周疲劳寿命方程；
步骤四、采用宏观有限元法分析得到服役条件下金属基复合材料宏观应变范围；
步骤五、采用步骤四得到的宏观应变范围和步骤三建立的金属基复合材料低周疲劳寿命方程预测单向连续纤维增强的金属基复合材料构件低周疲劳寿命；所述步骤一具体为：
制备与金属基复合材料经历相同的工艺过程的金属基体随炉试样；
测取脉动循环下所述随炉试样在金属基复合材料构件工作温度下的低周疲劳寿命，应变范围等级不少于5级，每应变范围等级试样数量不少于3件，寿命范围应覆盖103~105；
对所述测取的低周疲劳寿命数据进行拟合分析，获取基体材料P-ε-N曲线；
所述步骤一还包括：对基体材料P-ε-N曲线进行表征具体公式为
Figure QLYQS_1
；
式中：Em为基体材料弹性模量，σ’ f为疲劳强度系数，ε’ f为疲劳延性系数，b为弹性指数，c为塑性指数，Δε为应变范围，Nf为纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命；
所述步骤二包括：
获取金属基复合材料热等静压固化温度以及金属基复合材料构件的服役温度，利用纤维和基体的热膨胀系数计算构件服役条件下基体沿纤维方向的热残余应力；
根据混合率法，获取单向连续纤维增强金属基复合材料纤维方向线膨胀系数，并计算基体材料在复合材料中的热残余应力；
单向连续纤维增强金属基复合材料纤维方向线膨胀系数计算方法为
Figure QLYQS_2
；
复合材料中基体的热应变为
Figure QLYQS_3
；
基体材料
Figure QLYQS_4
下的自由热应变为/>
Figure QLYQS_5
；
基体材料在复合材料中的热残余应力为
Figure QLYQS_6
；
式中：
Figure QLYQS_9
为基体材料固化温度与服役温度的温差；/>
Figure QLYQS_12
、/>
Figure QLYQS_15
为金属和基体在固化温度下的热膨胀系数，/>
Figure QLYQS_8
为纤维的弹性模量，/>
Figure QLYQS_11
、/>
Figure QLYQS_14
为基体和纤维的体积分数，/>
Figure QLYQS_18
为复合材料等效热膨胀系数，/>
Figure QLYQS_7
为复合材料中基体热应变，/>
Figure QLYQS_13
为自由状态/>
Figure QLYQS_16
下基体材料热应变，/>
Figure QLYQS_17
为基体在/>
Figure QLYQS_10
下的残余热应力；
所述步骤三具体为采用热残余应力修正疲劳强度系数
Figure QLYQS_19
，建立考虑热残余应力的单向连续金属基复合材料低周疲劳寿命方程，具体如下：
Figure QLYQS_20
；
所述步骤五具体为通过有限元计算得到宏观应变范围
Figure QLYQS_21
和步骤三建立的考虑热残余应力的单向连续金属基复合材料低周疲劳寿命方程，计算纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命Nf。
2.根据权利要求1所述的纤维增强金属基复合材料构件低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤四具体为：将金属基复合材料视为均匀材料建立宏观有限元模型，复合材料和金属包套间采用共节点或者耦合各向自由度的强界面连接，对金属基复合材料采用宏观各向异性本构，加载服役环境的边界条件，通过有限元分析得到金属基复合材料在服役循环下最大的宏观应变范围
Figure QLYQS_22
。
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