CN117332641A - 一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法和系统 - Google Patents
一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117332641A CN117332641A CN202311266935.XA CN202311266935A CN117332641A CN 117332641 A CN117332641 A CN 117332641A CN 202311266935 A CN202311266935 A CN 202311266935A CN 117332641 A CN117332641 A CN 117332641A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- displacement
- fiber bundle
- fiber
- matrix
- node
- 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.)
- Pending
Links
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 title claims abstract description 87
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 210
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 112
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 112
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 17
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 8
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 9
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 9
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 2
- 238000009940 knitting Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/26—Composites
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明提供一种编织陶瓷基复合材料等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两个重要因素，从纤维束复合材料间界面磨损退化角度模拟编织陶瓷基复合材料在等幅循环载荷下的疲劳疲劳损伤过程；结合纤维束复合材料中纤维/基体间界面滑移模型和纤维/基体界面剪应力退化模型，引入纤维/基体间累计滑移距离以及累计应力，实现编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命高精度预测。
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等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。目前传统的疲劳寿命预测方法及相关模型主要用于金属材料，对于复杂的编织陶瓷基复合材料，并没有发展出成熟的疲劳寿命预测方法。
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等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等幅疲劳寿命预测方法，包括：
构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型；
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；
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；
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；
获取编织陶瓷基复合材料在给定的应变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；
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，则判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
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；
如果不大于纤维强度，则将当前周期对应的循环数N增加n个循环；其中，一个循环为一个周期；
判断N+n个循环是否大于等于预设的最大循环数；
如果不大于等于预设的最大循环数，则将第N+n个循环对应的周期作为当前周期，并重新获取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；
如果大于等于预设的最大循环数，则将预设的最大循环数作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
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等幅疲劳寿命预测系统，包括：
第一构建模块，用于构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型；
第一获取模块，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；
第二获取模块，用于获取编织陶瓷基复合材料在给定的应变载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值；
第二构建模块，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；
第三构建模块，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；
第三确定模块，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；
第四确定模块，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；
位移更新模块，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；
第五确定模块，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；
第一判断模块，用于判断更新后的各节点位移向量是否均小于设定的阈值；
第四构建模块，用于在第一判断模块确定更新后的各节点位移向量不均小于设定的阈值的情况下，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；
第二判断模块，用于在第一判断模块确定更新后的各节点位移向量均小于设定的阈值的情况下，判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
第六确定模块，用于在第二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；
循环数增加模块，用于在第二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，将当前周期对应的循环数N增加n个循环；其中，一个循环为一个周期；
第三判断模块，用于判断N+n个循环是否大于等于预设的最大循环数；
第三获取模块，用于在第三判断模块确定N+n个循环不大于等于预设的最大循环数的情况下，将第N+n个循环对应的周期作为当前周期，并重新获取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；
第七确定模块，用于在第三判断模块确定N+n个循环大于等于预设的最大循环数的情况下，将预设的最大循环数作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
进一步地，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。
进一步地，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。
进一步地，所述第三确定模块包括：
第一构建单元，用于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，所述第二构建模块包括：
第二构建单元，用于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。
本发明提供一种编织陶瓷基复合材料等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两个重要因素，从纤维束复合材料间界面磨损退化角度模拟编织陶瓷基复合材料在等幅循环载荷下的疲劳疲劳损伤过程。结合纤维束复合材料中纤维/基体间界面滑移模型和纤维/基体界面剪应力退化模型，引入纤维/基体间累计滑移距离以及累计应力，实现编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命高精度预测。本发明所采用的寿命预测模型使用的是细观力学模型，基于相应温度下的纤维束复合材料试验结果进行计算，能较为准确的反应编织材料内部的损伤情况，预测的疲劳寿命在四倍分散带内，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等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S-N曲线图；
图4为本发明实施例提供的疲劳寿命预测散度曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种编织陶瓷基复合材料等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。
开展纤维束复合材料疲劳试验，数据如表1所示。如图3所示，得到疲劳迟滞环割线刚度随循环数变化曲线，通过建立试验与数值仿真所得迟滞环割线刚度的映射关系，间接得到界面剪应力随循环数的变化关系以及纤维束复合材料间摩擦系数的退化公式。
表1疲劳试验数据
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等幅疲劳寿命预测方法，包括：
步骤101，构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型。
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。
步骤102，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103，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104，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105，获取编织陶瓷基复合材料在给定的应变载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值。
步骤106，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。
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。
步骤107，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。
步骤108，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。
示例性地，本步骤包括：
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。
步骤109，根据各自由节点的位移增量确定所有节点的位移增量。
步骤1010，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。
步骤1011，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。
步骤1012，判断更新后的各节点位移向量是否均小于设定的阈值。
步骤1013，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。
步骤1014，如果均小于设定的阈值，则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1015，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1016，如果不大于纤维强度，则将当前周期对应的循环数N增加n个循环；其中，一个循环为一个周期。
n表示的是每一次疲劳迭代循环数的增加量，在保证计算精度的同时考虑计算效率，n在不同阶段可以设定为不同的数值。示例性地，当循环数较低时，n取值范围为1～10，之后当循环数较大时，n取值范围为100～1000。
步骤1017，判断N+n个循环是否大于等于预设的最大循环数。
步骤1018，如果不大于等于预设的最大循环数，则将第N+n个循环对应的周期作为当前周期，并重新获取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1019，如果大于等于预设的最大循环数，则将预设的最大循环数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等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两个重要因素，从纤维束复合材料间界面磨损退化角度模拟编织陶瓷基复合材料在等幅循环载荷下的疲劳疲劳损伤过程。结合纤维束复合材料中纤维/基体间界面滑移模型和纤维/基体界面剪应力退化模型，引入纤维/基体间累计滑移距离以及累计应力，实现编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命高精度预测。如图4所示，本发明所采用的寿命预测模型使用的是细观力学模型，基于相应温度下的纤维束复合材料试验结果进行计算，能较为准确的反应编织材料内部的损伤情况，预测的疲劳寿命在四倍分散带内，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等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等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等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等幅疲劳寿命预测系统，如图5所示，包括：
第一构建模块10，用于构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型。
第一获取模块20，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30，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40，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。
第二获取模块50，用于获取编织陶瓷基复合材料在给定的应变载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值。
第二构建模块60，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。
第三构建模块70，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。
第三确定模块80，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。
第四确定模块90，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。
位移更新模块100，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。
第五确定模块110，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。
第一判断模块120，用于判断更新后的各节点位移向量是否均小于设定的阈值。
第四构建模块130，用于在第一判断模块确定更新后的各节点位移向量不均小于设定的阈值的情况下，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。
第二判断模块140，用于在第一判断模块确定更新后的各节点位移向量均小于设定的阈值的情况下，判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度。
第六确定模块150，用于在第二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。
循环数增加模块160，用于在第二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，将当前周期对应的循环数N增加n个循环；其中，一个循环为一个周期。
第三判断模块170，用于判断N+n个循环是否大于等于预设的最大循环数。
第三获取模块180，用于在第三判断模块确定N+n个循环不大于等于预设的最大循环数的情况下，将第N+n个循环对应的周期作为当前周期，并重新获取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。
第七确定模块190，用于在第三判断模块确定N+n个循环大于等于预设的最大循环数的情况下，将预设的最大循环数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。
示例性地，所述第二构建模块包括：
第二构建单元，用于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。
关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，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等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等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 (10)
1.一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型；
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；
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；
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；
获取编织陶瓷基复合材料在给定的应变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；
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，则判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
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；
如果不大于纤维强度，则将当前周期对应的循环数N增加n个循环；其中，一个循环为一个周期；
判断N+n个循环是否大于等于预设的最大循环数；
如果不大于等于预设的最大循环数，则将第N+n个循环对应的周期作为当前周期，并重新获取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；
如果大于等于预设的最大循环数，则将预设的最大循环数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等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。
3.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料等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。
4.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料等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。
5.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料等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。
6.一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测系统，其特征在于，包括：
第一构建模块，用于构建编织陶瓷基复合材料的单胞有限元模型；
第一获取模块，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；
第二获取模块，用于获取编织陶瓷基复合材料在给定的应变载荷下的单胞有限元模型各节点位移初值；
第二构建模块，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；
第三构建模块，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；
第三确定模块，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；
第四确定模块，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；
位移更新模块，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；
第五确定模块，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；
第一判断模块，用于判断更新后的各节点位移向量是否均小于设定的阈值；
第四构建模块，用于在第一判断模块确定更新后的各节点位移向量不均小于设定的阈值的情况下，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；
第二判断模块，用于在第一判断模块确定更新后的各节点位移向量均小于设定的阈值的情况下，判断各纤维束界面单元的应力是否大于纤维强度；
第六确定模块，用于在第二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；
循环数增加模块，用于在第二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，将当前周期对应的循环数N增加n个循环；其中，一个循环为一个周期；
第三判断模块，用于判断N+n个循环是否大于等于预设的最大循环数；
第三获取模块，用于在第三判断模块确定N+n个循环不大于等于预设的最大循环数的情况下，将第N+n个循环对应的周期作为当前周期，并重新获取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；
第七确定模块，用于在第三判断模块确定N+n个循环大于等于预设的最大循环数的情况下，将预设的最大循环数作为编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命。
7.根据权利要求6所述的编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测系统，其特征在于，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。
8.根据权利要求6所述的编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测系统，其特征在于，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。
9.根据权利要求6所述的编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述第三确定模块包括：
第一构建单元，用于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。
10.根据权利要求6所述的编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述第二构建模块包括：
第二构建单元，用于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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311266935.XA CN117332641A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311266935.XA CN117332641A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法和系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117332641A true CN117332641A (zh) | 2024-01-02 |
Family
ID=89276646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311266935.XA Pending CN117332641A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117332641A (zh) |
-
2023
- 2023-09-28 CN CN202311266935.XA patent/CN117332641A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111680436B (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 | |
| CN106886663B (zh) | 齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置 | |
| WO2021227924A1 (zh) | 基于权平均最大剪切应力平面的疲劳寿命预测方法及装置 | |
| CN108204925B (zh) | 复合材料的疲劳寿命预测方法及预测系统 | |
| CN104823191B (zh) | 用于概率性疲劳裂纹寿命估计的方法和系统 | |
| CN109614715B (zh) | 一种多轴载荷作用下考虑缺口效应的能量场强法及其应用 | |
| CN108846149B (zh) | 一种基于多源不确定性的结构分布式动态载荷识别的方法 | |
| CN111651924A (zh) | 一种基于权函数的表面裂纹应力强度因子数据库建立方法 | |
| CN109241618B (zh) | 一种复合材料结构的高周弯曲疲劳寿命预测方法 | |
| Tkachuk et al. | Numerical methods for contact analysis of complex-shaped bodies with account for non-linear interface layers | |
| CN112948941B (zh) | 受剪构件的高周疲劳损伤数值计算方法、装置 | |
| CN117288610A (zh) | 一种编织陶瓷基复合材料变幅疲劳寿命预测方法和系统 | |
| Gottschalk et al. | Shape gradients for the failure probability of a mechanic component under cyclic loading: a discrete adjoint approach | |
| CN111881564A (zh) | 一种关于机械结构变幅疲劳寿命预测方法 | |
| Zhou et al. | Universal weight function method on the probabilistic surface damage tolerance assessment of aeroengine rotors | |
| CN117725859A (zh) | 飞机疲劳损伤关键部位的疲劳裂纹扩展预测方法及系统 | |
| CN117332641A (zh) | 一种编织陶瓷基复合材料等幅疲劳寿命预测方法和系统 | |
| CN115310311B (zh) | 一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法 | |
| CN116090125A (zh) | 螺栓节点的等效仿真建模方法及装置 | |
| CN117454735A (zh) | 模型生成方法、可靠性分析方法、系统、设备和介质 | |
| CN115064228A (zh) | 一种粘塑性材料的相场断裂模拟方法、装置及设备 | |
| KR100799207B1 (ko) | 고주기 피로 수명 해석 방법 | |
| Shutov et al. | Efficient numerics for the analysis of fibre-reinforced composites subjected to large viscoplastic strains | |
| Fang et al. | A probabilistic life prediction framework for vibration fatigue of turbine blade based on refined polynomial chaos expansion | |
| CN112380642A (zh) | 一种风电机组叶片纤维间失效预测方法和装置 |
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 |