[发明专利]基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法

摘要

一种复合材料技术领域的基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法，使用有限元技术进行结构响应计算。该有限元模型基于经典层合板理论，建立考虑了拉压不对称性的umat子程序。通过进行不同应力比下的恒幅疲劳实验，建立了平均应力对碳纤维复合材料结构寿命预测的影响机制方程，并推广到块载荷和谱载荷。本发明建立的寿命评估模型，基于经典层合板理论，考虑了平均应力和变幅载荷的影响，其预测结果分散性小，准确度高，为碳纤维复合材料零部件的可靠性设计提供理论指导，能够解决现有碳纤维复合材料结构疲劳寿命仅采用试验方法造成的成本高、耗时长的技术问题。

主权项

一种基于应力比影响的碳纤维复合材料疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过实验测量碳纤维复合材料的静态和疲劳力学性能数据：准静态拉伸和压缩实验数据，获得材料静态力学参数；不同应力比R下的恒应力幅疲劳实验，获得基于Basquin方程的材料疲劳寿命曲线；步骤二、非线性恒幅寿命图建模：通过步骤一中获取的试验数据，建立恒幅寿命图并进行唯象处理以评估平均应力σ_m对疲劳寿命预测的影响；然后利用建立的恒幅寿命图评估任意恒幅载荷模式下的疲劳寿命；步骤三、变幅载荷下疲劳损伤累积准则建模：根据块载荷和谱载荷试验数据拟合得到损伤累积准则系数；步骤四、碳纤维复合材料结构应力分析：基于经典层合板理论，按照实际结构的铺层类型利用Abaqus软件完成铺层设计，建立考虑拉压不对称的碳纤维复合材料umat本构方程，并将步骤一中获得的静态力学参数输入到程序中，使用经典失效判据准则，对结构的静强度进行失效判断；步骤五、谱载荷循环计数：利用雨流计数法对不规则的随机载荷进行重新计数，得到一系列的不同幅值和平均值的恒幅载荷；步骤六、疲劳寿命和损伤计算：利用步骤五得到的恒幅载荷，将此载荷施加在步骤四中的有限元模型中，通过数值计算得到结构上的包括最大应力和最小应力的应力响应，进而得到应力比R，即最小应力和最大应力的比值，将此应力比R代入步骤二中得到的恒幅寿命图，得到此应力比R下的S–N曲线，从而计算结构的寿命值和损伤值，判断结构是否失效。