[发明专利]复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多尺度模型的复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法。

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。

由于单向陶瓷基复合材料存在非纤维方向力学性能弱等缺点，其应用范围受到了限制。二维，2.5维和三维复杂编织结构陶瓷基复合材料的出现，克服了单向复合材料的缺点，同时在厚度方向上纤维束整体化更高，增加了材料层间剪切强度，减少了分层现象，并提高了复合材料抗冲击性能和弯曲疲劳性能，因此大大扩展了陶瓷基复合材料的应用范围。

然而由于复杂编织结构陶瓷基复合材料是一种新型结构材料，国内外还没有高效的方法预测其疲劳寿命，也未见公开的发明专利。孙志刚(孙志刚，许仁红,宋迎东.陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命预测[J].机械工程学报,2012,12:31-36.)采用细观力学法对正交铺设陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命进行了预测，得到了材料S-N曲线。该论文计算结果与试验结果较为一致，但是并没有给出复杂编织结构复合材料的疲劳寿命回线。李龙彪(李龙彪.长纤维增强陶瓷基复合材料疲劳损伤模型与寿命预测[D].南京航空航天大学,2010.)采用刚度平均法将二维编织结构简化为层合板，再利用细观力学法对材料疲劳寿命进行了预测。然而该方法并没有实质性的创新且组分材料应力场不能直接从解析表达式中得到，因此这种方法不能够精确地预测出复杂编织结构的疲劳寿命曲线。当前，如何准确的预测复杂编织结构陶瓷基复合材料的疲劳寿命曲线是本技术领域重要而难以解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法，以解决现有技术存在的不能够精确地预测出复杂编织结构的疲劳寿命曲线的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：

(1)建立复杂编织结构陶瓷基复合材料的单胞模型；

(2)初始加载至疲劳峰值载荷，认定纬纱单元都已经失效；

(3)进入卸载-加载过程，假设当前循环数为Cycle；

(4)计算该循环数下微观尺度疲劳性能；

(5)计算该循环下纤维失效百分数P(T)；

(6)判断纤维失效百分数P(T)与纤维失效临界值q^*的关系；若P(T)>q^*，进入步骤(9)；否则，进入步骤(7)；

(7)计算单胞尺度疲劳性能，得到Cycle循环下的最大应变

(8)判断与最大失效应变ε_max的关系；若材料发生疲劳破坏，进入步骤(8)；否则，Cycle＝Cycle+1，同时进入步骤(3)；

(9)输出循环次数Cycle，疲劳失效，程序终止。

所述步骤(1)中，通过ANSYS建模仿真软件建立单胞模型。

所述步骤(2)中，失效的纬纱单元还具备承载能力，即单元常数不为零，只是弹性常数发生缩减，缩减后的弹性常数取初始值的1％。

所述步骤(3)中，假定当前循环数Cycle＝1。

所述步骤(4)中，当复合材料出现损伤时，假设复合材料应变等于未损伤的纤维应变，即