CN117288610A - 一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法和系统，其中方法考虑编织陶瓷基复合材料内部纤维束复合材料间的摩擦与磨损，而且施加的变循环载荷更加符合航空发动机实际工作情况。本发明提供的方法是基于纤维束复合材料试验结果，得到纤维/基体界面剪应力退化规律以及纤维束复合材料间界面磨损退化规律，建立相应的界面剪应力退化模型和纤维束复合材料间摩擦系数退化模型，同时结合累计损伤理论，实现在编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命计算。相比于等幅疲劳寿命计算，更加贴近航空发动机高温转动部件的实际工作情况，满足航空发动机结构件的疲劳寿命设计需求。
Description
技术领域
本发明属于复合材料疲劳寿命预测技术领域，尤其涉及一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法和系统。
背景技术
复杂编织陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀和低密度等优良性能，在空天飞行器高温防护系统具有广泛的需求。材料在其使用过程中，由于受载荷和环境等因素的影响，会逐渐产生构件损伤以至于破坏，其主要破坏形式之一是疲劳损伤。这种疲劳破坏对飞行器的危害巨大，是飞行器防护系统结构中常见的失效形式。因此，准确地预测复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命，是排除事故隐患、制定健康修复计划和延长使用寿命的保障。
陶瓷基复合材料应用于航空发动机，首先需要解决的是其在疲劳载荷下的强度及寿命预测问题。目前大多数编织陶瓷基复合材料疲劳寿命模型仅适用于室温和等幅疲劳计算，无法适用于真实情况下的高温服役条件，并且也未能考虑纱线间的相互作用，使得预测的疲劳寿命与试验相差过大，无法满足航空发动机的精确度要求。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法和系统。
第一方面，本发明提供一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，包括：
步骤101，获取当前周期内编织陶瓷基复合材料的纤维/基体间相对累积滑移距离和累积应力；
步骤102，根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力；
步骤103，根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数；
步骤104，根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力；
步骤105，判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
步骤106，如果大于纤维强度，则确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
步骤107，如果不大于纤维强度，则判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1；
步骤108，如果不大于等于Nmax1，则将当前周期对应的循环数N乘以循环数加速因子α，以作为下一周期对应的循环数，并返回执行步骤101的操作；
步骤109，如果大于等于Nmax1，则将第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1作为下一周期对应的循环数N，并返回执行步骤101-105的操作；
步骤1010，如果大于纤维强度，则确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
步骤1011，如果不大于纤维强度，则判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第二级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1+Nmax2；
步骤1012，如果不大于等于Nmax1+Nmax2，则将Nmax1+[(N-Nmax1)·α]作为下一周期对应的循环数，并返回执行步骤101-105的操作；
步骤1013，如果大于等于Nmax1+Nmax2，则将Nmax1+Nmax2作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
进一步地，所述根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力，包括：
构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型；
获取编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值；
根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵；
根据单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵构建单胞有限元模型总刚度矩阵；
施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量；
根据各自由节点的位移增量确定所有节点的位移增量；
将每个节点的位移增量对应增加到当前周期内各节点的位移，得到更新后的各节点位移；
根据更新后的各节点位移确定各纤维束界面单元的应力。
进一步地，所述根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力，包括：
根据以下公式计算第N个周期内的纤维/基体界面剪应力τi(N)：
其中，为疲劳开始前纤维/基体界面的初始剪应力；e为自然常数；ω为纤维/基体间相对累积滑移距离∑δ随剪应力变化的关系数值；λ为∑δ随循环数变化的稳定值；/>为疲劳过程当中纤维/基体界面的最终稳态剪应力。
进一步地，所述根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数，包括：
根据以下公式计算第N个周期内的纤维束复合材料间摩擦系数μ(N)：
其中，μ0为疲劳开始前纤维束复合材料间摩擦系数；e为自然常数；μ∞为疲劳过程中纤维束复合材料间的最终稳态系数；ω1为摩擦系数随循环数变化的拟合参数，λ1为试验循环数的拟合参数。
进一步地，所述施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量，包括：
构建周期性位移边界条件表达式：
其中，uj+为垂直于x轴正半轴的边界面的位移；uj-为垂直于x轴负半轴的边界面的位移；为单胞平均应变；Δx为相对点的坐标差值。
进一步地，所述根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵，包括：
构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵Km表达式：
Km＝Fm/dm；
其中，Fm为节点力矩阵；dm为节点位移矩阵。
第二方面，本发明提供一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测系统，包括：
获取模块，用于获取当前周期内编织陶瓷基复合材料的纤维/基体间相对累积滑移距离和累积应力；
第一确定模块，用于根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力；
第二确定模块，用于根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数；
第三确定模块，用于根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力；
第一判断模块，用于判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
第四确定模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力大于纤维强度的情况下，确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
第二判断模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力不大于纤维强度的情况下，判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1；
第五确定模块，用于在第二判断模块确定当前周期对应的循环数N不大于等于Nmax1的情况下，将当前周期对应的循环数N乘以循环数加速因子α，以作为下一周期对应的循环数，并返回执行获取模块的操作；
第六确定模块，用于在第二判断模块确定当前周期对应的循环数N大于等于Nmax1的情况下，将第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1作为下一周期对应的循环数N，并返回执行获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第一判断模块的操作；
第七确定模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力大于纤维强度的情况下，确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
第三判断模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力不大于纤维强度的情况下，判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第二级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1+Nmax2；
第八确定模块，用于在第三判断模块确定当前周期对应的循环数N不大于等于Nmax1+Nmax2的情况下，将Nmax1+[(N-Nmax1)·α]作为下一周期对应的循环数，并返回执行获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第一判断模块的操作；
第九确定模块，用于在第三判断模块确定当前周期对应的循环数N大于等于Nmax1+Nmax2的情况下，将Nmax1+Nmax2作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现第一方面所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的步骤。
本发明提供一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法和系统，其中方法考虑编织陶瓷基复合材料内部纤维束复合材料间的摩擦与磨损，而且施加的变循环载荷更加符合航空发动机实际工作情况。本发明提供的方法是基于纤维束复合材料试验结果，得到纤维/基体界面剪应力退化规律以及纤维束复合材料间界面磨损退化规律，建立相应的界面剪应力退化模型和纤维束复合材料间摩擦系数退化模型，同时结合累计损伤理论，实现在编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命计算。相比于等幅疲劳寿命计算，更加贴近航空发动机高温转动部件的实际工作情况，满足航空发动机结构件的疲劳寿命设计需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明实施例提供的一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的是2D编织陶瓷基复合材料单胞有限元模型图；
图3为本发明实施例提供的疲劳寿命结果图；
图4为本发明实施例提供的疲劳寿命预测散度图；
图5为本发明实施例提供的一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例目标结构为任一项(2D、2.5D和3D)编织类型的单胞结构，本发明以2D编织类型单胞作为案例说明，初始情况下(即疲劳试验前)，编织CMCs无任何损伤。
在一实施例中，如图1所示，本发明实施例提供一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，包括：
步骤101，获取当前周期内编织陶瓷基复合材料的纤维/基体间相对累积滑移距离和累积应力。
纤维/基体间相对累积滑移距离∑δ根据试验测量得到，累积应力∑σ是可以从每次仿真计算结果中直接得到。
通过试验数据拟合，确定了界面剪应力退化公式中各经验参数数值。
通过开展纤维束复合材料线性往复摩擦试验，测得编织陶瓷基复合材料内纤维束复合材料间的摩擦系数及其磨损规律，从而确定纤维束复合材料间摩擦系数退化模型中各参数数值。
步骤102，根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力。
示例性地，根据以下公式计算第N个周期内的纤维/基体界面剪应力τi(N)：
其中，为疲劳开始前纤维/基体界面的初始剪应力；e为自然常数；ω为纤维/基体间相对累积滑移距离∑δ随剪应力变化的关系数值；λ为∑δ随循环数变化的稳定值；/>为疲劳过程当中纤维/基体界面的最终稳态剪应力。
步骤103，根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数。
示例性地，根据以下公式计算第N个周期内的纤维束复合材料间摩擦系数μ(N)：
其中，μ0为疲劳开始前纤维束复合材料间摩擦系数；e为自然常数；μ∞为疲劳过程中纤维束复合材料间的最终稳态系数；ω1为摩擦系数随循环数变化的拟合参数，λ1为试验循环数的拟合参数。
步骤104，根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力。
示例性地，本步骤包括：
如图2所示，使用ANSYS APDL构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型。
获取编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值。
根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵。
根据单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵构建单胞有限元模型总刚度矩阵；总体刚度矩阵是通过每个单元刚度矩阵中的每个元素按照其角标标号叠加而成，这种叠加需要在同一个总体坐标系下进行。
施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量。
根据各自由节点的位移增量确定所有节点的位移增量。
将每个节点的位移增量对应增加到当前周期内各节点的位移，得到更新后的各节点位移。
根据更新后的各节点位移确定各纤维束界面单元的应力；基于有限元理论，根据节点位移计算各纤维束界面单元的应变和应力。
其中，各单元刚度矩阵由虚位移原理推导出节点力矩阵Fm和节点位移矩阵dm关系得到。示例性地，构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵Km表达式：
Km＝Fm/dm。
其中，Fm为节点力矩阵；dm为节点位移矩阵。
施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量，包括：
构建周期性位移边界条件表达式：
其中，uj+为垂直于x轴正半轴的边界面的位移；uj-为垂直于x轴负半轴的边界面的位移；为单胞平均应变；Δx为相对点的坐标差值。
本步骤中还包括：
判断更新后的各节点位移向量是否均小于设定的阈值。
如果不均小于设定的阈值，则根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值重新构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵。
如果均小于设定的阈值，则进入步骤105。
步骤105，判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度。
根据纤维随机断裂模型判断各纤维束界面单元失效情况。纤维随机断裂模型是对于任意小段，通过均匀分布随机数生成器产生h个随机数pj，1≤j≤h(0≤pj≤1)。P(Λj)表示的是某一小段含有第j级缺陷概率，对其中某一小段而言，当pj＜P(Λj)时，则意味着该小段上存在第j级缺陷。该小段纤维的强度等于存在的最严重缺陷的强度。通过对比纤维的应力分布与强度分布，即可模拟出纤维的完整失效过程。
步骤106，如果大于纤维强度，则确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
步骤107，如果不大于纤维强度，则判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1。
步骤108，如果不大于等于Nmax1，则将当前周期对应的循环数N乘以循环数加速因子α，以作为下一周期对应的循环数，并返回执行步骤101的操作；α的值取大于1，目的是加快疲劳计算进程。
步骤109，如果大于等于Nmax1，则将第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1作为下一周期对应的循环数N，并返回执行步骤101-105的操作。
步骤1010，如果大于纤维强度，则确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
步骤1011，如果不大于纤维强度，则判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第二级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1+Nmax2。
步骤1012，如果不大于等于Nmax1+Nmax2，则将Nmax1+[(N-Nmax1)·α]作为下一周期对应的循环数，并返回执行步骤101-105的操作。
步骤1013，如果大于等于Nmax1+Nmax2，则将Nmax1+Nmax2作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
本发明实施例提供的一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，考虑编织陶瓷基复合材料内部纤维束复合材料间的摩擦与磨损，而且施加的变循环载荷更加符合航空发动机实际工作情况。本发明提供的方法是基于纤维束复合材料试验结果，得到纤维/基体界面剪应力退化规律以及纤维束复合材料间界面磨损退化规律，建立相应的界面剪应力退化模型和纤维束复合材料间摩擦系数退化模型，同时结合累计损伤理论，实现在编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命计算。参见图3的疲劳计算结果和图4的疲劳散度，相比于等幅疲劳寿命计算，更加贴近航空发动机高温转动部件的实际工作情况，满足航空发动机结构件的疲劳寿命设计需求。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测系统，由于该系统解决问题的原理与上述编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法相似，因此该系统的实施可以参见编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的实施，重复之处不再赘述。
在另一实施例中，本发明实施例提供的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测系统，如图5所示，包括：
获取模块10，用于获取当前周期内编织陶瓷基复合材料的纤维/基体间相对累积滑移距离和累积应力。
第一确定模块20，用于根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力。
第二确定模块30，用于根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数。
第三确定模块40，用于根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力。
第一判断模块50，用于判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度。
第四确定模块60，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力大于纤维强度的情况下，确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
第二判断模块70，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力不大于纤维强度的情况下，判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1。
第五确定模块80，用于在第二判断模块确定当前周期对应的循环数N不大于等于Nmax1的情况下，将当前周期对应的循环数N乘以循环数加速因子α，以作为下一周期对应的循环数，并返回执行获取模块的操作。
第六确定模块90，用于在第二判断模块确定当前周期对应的循环数N大于等于Nmax1的情况下，将第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1作为下一周期对应的循环数N，并返回执行获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第一判断模块的操作。
第七确定模块100，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力大于纤维强度的情况下，确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
第三判断模块110，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力不大于纤维强度的情况下，判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第二级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1+Nmax2。
第八确定模块120，用于在第三判断模块确定当前周期对应的循环数N不大于等于Nmax1+Nmax2的情况下，将Nmax1+[(N-Nmax1)·α]作为下一周期对应的循环数，并返回执行获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第一判断模块的操作。
第九确定模块130，用于在第三判断模块确定当前周期对应的循环数N大于等于Nmax1+Nmax2的情况下，将Nmax1+Nmax2作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
示例性地，所述第一确定模块包括：
第一计算单元，用于根据以下公式计算第N个周期内的纤维/基体界面剪应力τi(N)：
其中，为疲劳开始前纤维/基体界面的初始剪应力；e为自然常数；ω为纤维/基体间相对累积滑移距离∑δ随剪应力变化的关系数值；λ为∑δ随循环数变化的稳定值；/>为疲劳过程当中纤维/基体界面的最终稳态剪应力。
示例性地，所述第二确定模块包括：
第二计算单元，用于根据以下公式计算第N个周期内的纤维束复合材料间摩擦系数μ(N)：
其中，μ0为疲劳开始前纤维束复合材料间摩擦系数；e为自然常数；μ∞为疲劳过程中纤维束复合材料间的最终稳态系数；ω1为摩擦系数随循环数变化的拟合参数，λ1为试验循环数的拟合参数。
示例性地，所述第三确定模块包括：
第一构建单元，用于构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型。
获取单元，用于获取编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值。
第二构建单元，用于根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵。
第三构建单元，用于根据单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵构建单胞有限元模型总刚度矩阵。
第一确定单元，用于施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量。
第二确定单元，用于根据各自由节点的位移增量确定所有节点的位移增量。
节点位移更新单元，用于将每个节点的位移增量对应增加到当前周期内各节点的位移，得到更新后的各节点位移。
第三确定单元，用于根据更新后的各节点位移确定各纤维束界面单元的应力。
在另一实施例中，本发明提供一种计算机设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现上述编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的步骤。
关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
在另一实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现上述编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的步骤。
关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统、设备和存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
步骤101，获取当前周期内编织陶瓷基复合材料的纤维/基体间相对累积滑移距离和累积应力；
步骤102，根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力；
步骤103，根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数；
步骤104，根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力；
步骤105，判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
步骤106，如果大于纤维强度，则确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
步骤107，如果不大于纤维强度，则判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1；
步骤108，如果不大于等于Nmax1，则将当前周期对应的循环数N乘以循环数加速因子α，以作为下一周期对应的循环数，并返回执行步骤101的操作；
步骤109，如果大于等于Nmax1，则将第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1作为下一周期对应的循环数N，并返回执行步骤101-105的操作；
步骤1010，如果大于纤维强度，则确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
步骤1011，如果不大于纤维强度，则判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第二级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1+Nmax2；
步骤1012，如果不大于等于Nmax1+Nmax2，则将Nmax1+[(N-Nmax1)·α]作为下一周期对应的循环数，并返回执行步骤101-105的操作；
步骤1013，如果大于等于Nmax1+Nmax2，则将Nmax1+Nmax2作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力，包括：
构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型；
获取编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值；
根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵；
根据单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵构建单胞有限元模型总刚度矩阵；
施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量；
根据各自由节点的位移增量确定所有节点的位移增量；
将每个节点的位移增量对应增加到当前周期内各节点的位移，得到更新后的各节点位移；
根据更新后的各节点位移确定各纤维束界面单元的应力。
3.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力，包括：
根据以下公式计算第N个周期内的纤维/基体界面剪应力τi(N)：
其中，为疲劳开始前纤维/基体界面的初始剪应力；e为自然常数；ω为纤维/基体间相对累积滑移距离∑δ随剪应力变化的关系数值；λ为∑δ随循环数变化的稳定值；/>为疲劳过程当中纤维/基体界面的最终稳态剪应力。
4.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数，包括：
根据以下公式计算第N个周期内的纤维束复合材料间摩擦系数μ(N)：
其中，μ0为疲劳开始前纤维束复合材料间摩擦系数；e为自然常数；μ∞为疲劳过程中纤维束复合材料间的最终稳态系数；ω1为摩擦系数随循环数变化的拟合参数，λ1为试验循环数的拟合参数。
5.根据权利要求2所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述施加周期性位移边界条件，对单胞有限元模型总刚度矩阵进行变换缩减，以确定单胞有限元模型各自由节点的位移增量，包括：
构建周期性位移边界条件表达式：
其中，uj+为垂直于x轴正半轴的边界面的位移；uj-为垂直于x轴负半轴的边界面的位移；为单胞平均应变；Δx为相对点的坐标差值。
6.根据权利要求2所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据当前周期内纤维/基体界面剪应力、纤维束复合材料间摩擦系数以及各节点位移初值构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵，包括：
构建单胞有限元模型各纤维束界面单元的刚度矩阵Km表达式：
Km＝Fm/dm；
其中，Fm为节点力矩阵；dm为节点位移矩阵。
7.一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取当前周期内编织陶瓷基复合材料的纤维/基体间相对累积滑移距离和累积应力；
第一确定模块，用于根据纤维/基体间相对累积滑移距离确定当前周期内的纤维/基体界面剪应力；
第二确定模块，用于根据纤维/基体间累积应力确定当前周期内的纤维束复合材料间摩擦系数；
第三确定模块，用于根据当前周期内纤维/基体界面剪应力和纤维束复合材料间摩擦系数确定编织陶瓷基复合材料在峰值疲劳载荷下的应力分布，得到编织陶瓷基复合材料各纤维束界面单元的应力；
第一判断模块，用于判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
第四确定模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力大于纤维强度的情况下，确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
第二判断模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力不大于纤维强度的情况下，判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1；
第五确定模块，用于在第二判断模块确定当前周期对应的循环数N不大于等于Nmax1的情况下，将当前周期对应的循环数N乘以循环数加速因子α，以作为下一周期对应的循环数，并返回执行获取模块的操作；
第六确定模块，用于在第二判断模块确定当前周期对应的循环数N大于等于Nmax1的情况下，将第一级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1作为下一周期对应的循环数N，并返回执行获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第一判断模块的操作；
第七确定模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力大于纤维强度的情况下，确定编织陶瓷基复合材料整体失效，将当前周期对应的循环数N作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命；
第三判断模块，用于在第一判断模块确定各纤维束界面单元的应力不大于纤维强度的情况下，判断当前周期对应的循环数N是否大于等于第二级循环载荷的最大疲劳循环数Nmax1+Nmax2；
第八确定模块，用于在第三判断模块确定当前周期对应的循环数N不大于等于Nmax1+Nmax2的情况下，将Nmax1+[(N-Nmax1)·α]作为下一周期对应的循环数，并返回执行获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第一判断模块的操作；
第九确定模块，用于在第三判断模块确定当前周期对应的循环数N大于等于Nmax1+Nmax2的情况下，将Nmax1+Nmax2作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现权利要求1-6任一项所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法的步骤。
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