一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法制造技术

一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，该方法有三大步骤：步骤一、指定应力比下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型；步骤二、考虑应力比效应的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型；步骤三、载荷谱作用下复合材料结构疲劳寿命的渐进损伤算法。本发明专利技术简单实用、计算精度高，克服了现有技术的不足，可有效评估复合材料结构谱载疲劳寿命，为复合材料飞机结构寿命设计提供技术支持。

Progressive damage algorithm for spectrum loading fatigue life of composite structures

A progressive damage algorithm for fatigue life of composite structures under spectrum loading is presented. The method consists of three steps: step 1, surface model of fatigue residual strength of composite materials under specified stress ratio; step 2, surface model of fatigue residual strength of composite materials considering stress ratio effect; step 3, complex under load spectrum effect. Progressive damage algorithm for fatigue life of composite structures. The invention is simple, practical and has high calculation precision, overcomes the shortcomings of the prior art, can effectively evaluate the spectrum load fatigue life of composite structure, and provides technical support for the design of composite aircraft structure life.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法
本专利技术提供一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，属于复合材料结构疲劳可靠性

技术介绍
复合材料具有比强度和比刚度高、重量轻、易成型、抗疲劳性能和耐腐蚀性好等优点，已广泛应用于航空航天领域。在实际飞行过程中，复合材料飞机结构承受疲劳载荷谱作用而产生疲劳损伤，因此，为保证复合材料飞机结构的安全性和可靠性，必须对复合材料飞机结构谱载疲劳损伤与寿命进行评估。事实上，传统的Miner累积损伤法则不能有效评估复合材料结构的实际损伤状态，这是因为Miner法则需要采用传统的疲劳性能S-N曲线进行损伤估算，而复合材料S-N曲线难以精确测量和表征，因此，目前，基于疲劳剩余强度性能的渐进损伤计算方法常用于复合材料结构疲劳寿命估算。为此，本专利技术提出一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，该方法简单实用、计算精度高，可为复合材料飞机结构寿命设计提供技术支持，具有十分重要的工程应用价值和学术意义。
技术实现思路
1、目的：本专利技术的目的是提供一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，该方法简单实用、计算精度高，克服了现有技术的不足，可为复合材料飞机结构设计提供技术支持。2、技术方案：本专利技术提供一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，该方法具体步骤如下：步骤一、指定应力比下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型利用复合材料疲劳剩余强度性能试验数据，拟合得到指定应力比r0下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型：式中，n为疲劳加载循环次数，为应力比r0下的最大疲劳应力，R(n)为剩余强度，S0为拟合疲劳极限，R0为初始剩余强度，C、p、q为材料常数。步骤二、考虑应力比效应的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型式(1)仅适用于指定应力比r0，为使式(1)适用于任一应力比，采用等寿命曲线公式对式(1)进行修正，即式中，Sa和Sm分别为疲劳应力幅值和应力均值；Sa/Sm为动静载荷比；S-1代表对称循环加载下的疲劳极限；σb为强度极限；d0为基准动静载荷比，取d0＝0.9。根据应力比r的定义，得到式中，Smax,r为应力比r下的最大疲劳应力，将式(3)中两式相除得到动静载荷比：将式(3)和式(4)代入式(2)中，得到任一应力比r下的等寿命曲线公式：在指定应力比r0下，式(5)变为将式(5)与式(6)联立，并消除S-1得到将式(7)代入式(1)中，得到任意应力比r下的疲劳剩余强度性能曲面模型：步骤三、载荷谱作用下复合材料结构疲劳寿命的渐进损伤算法根据步骤二中考虑应力比效应的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型，利用有限元方法，模拟疲劳载荷谱作用下复合材料结构的渐进损伤过程，评估其疲劳寿命，具体流程如下：(1)建立复合材料结构有限元模型，并设置疲劳载荷循环次数T0＝0，此时，所有单元的剩余强度Ri(T0)(i＝1,2,3,...)设置为初始剩余强度R0；(2)按载荷谱顺序施加疲劳载荷循环，计算复合材料结构危险部位应力分布，并记录各单元工作应力，然后，根据剩余强度准则，判断单元是否失效；(3)若无单元失效，则对所有未失效单元的剩余强度性能进行退化，疲劳载荷谱中第j个载荷循环导致的第i个单元的剩余强度降为ΔRi(j)＝Ri(j-1)-Ri(j)(9)可由式(8)计算得到，此时，记录疲劳载荷循环次数T0后第i个单元的剩余强度：然后，记录新的载荷循环次数T0＝T0+1；继续施加下一个疲劳载荷循环，重新进行有限元应力计算和单元失效评判；(4)若有单元发生失效，则杀死失效单元，并根据式(10)计算和记录未失效单元的剩余强度，以及新的载荷循环次数T0＝T0+1；继续施加下一个疲劳载荷循环，重新进行有限元应力计算和单元失效评判，如此循环往复，直至复合材料结构整体失效。附图表说明图1为本专利技术所述方法的流程框图。图2为载荷谱作用下复合材料结构疲劳寿命的渐进损伤算法流程图。图中符号说明如下：图2中的T0为疲劳载荷循环次数，R0为单元初始剩余强度，Ri(T0)为第i个单元的剩余强度，ΔRi(j)为第j个循环导致的第i个单元的剩余强度降。具体实施方式图1为本专利技术所述方法的流程框图，本专利技术分三大步骤实现，具体为：步骤一、指定应力比下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型利用复合材料疲劳剩余强度性能试验数据，拟合得到指定应力比r0下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型：式中，n为疲劳加载循环次数，为应力比r0下的最大疲劳应力，R(n)为剩余强度，S0为拟合疲劳极限，R0为初始剩余强度，C、p、q为材料常数。步骤二、考虑应力比效应的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型式(11)仅适用于指定应力比r0，为使式(11)适用于任一应力比，采用等寿命曲线公式对式(11)进行修正，即式中，Sa和Sm分别为疲劳应力幅值和应力均值；Sa/Sm为动静载荷比；S-1代表对称循环加载下的疲劳极限；σb为强度极限；d0为基准动静载荷比，取d0＝0.9。根据应力比r的定义，得到式中，Smax,r为应力比r下的最大疲劳应力，将式(13)中两式相除得到动静载荷比：将式(13)和式(14)代入式(12)中，得到任一应力比r下的等寿命曲线公式：在指定应力比r0下，式(15)变为将式(15)与式(16)联立，并消除S-1得到将式(17)代入式(11)中，得到任意应力比r下的疲劳剩余强度性能曲面模型：步骤三、载荷谱作用下复合材料结构疲劳寿命的渐进损伤算法根据步骤二中考虑应力比效应的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型，利用有限元方法，模拟疲劳载荷谱作用下复合材料结构的渐进损伤过程，评估其疲劳寿命，具体流程如下：(1)建立复合材料结构有限元模型，并设置疲劳载荷循环次数T0＝0，此时，所有单元的剩余强度Ri(T0)(i＝1,2,3,...)设置为初始剩余强度R0；(2)按载荷谱顺序施加疲劳载荷循环，计算复合材料结构危险部位应力分布，并记录各单元工作应力，然后，根据剩余强度准则，判断单元是否失效；(3)若无单元失效，则对所有未失效单元的剩余强度性能进行退化，疲劳载荷谱中第j个载荷循环导致的第i个单元的剩余强度降为ΔRi(j)＝Ri(j-1)-Ri(j)(19)可由式(18)计算得到，此时，记录疲劳载荷循环次数T0后第i个单元的剩余强度：然后，记录新的载荷循环次数T0＝T0+1；继续施加下一个疲劳载荷循环，重新进行有限元应力计算和单元失效评判；(4)若有单元发生失效，则杀死失效单元，并根据式(20)计算和记录未失效单元的剩余强度，以及新的载荷循环次数T0＝T0+1；继续施加下一个疲劳载荷循环，重新进行有限元应力计算和单元失效评判，如此循环往复，直至复合材料结构整体失效。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，该算法具体步骤如下：步骤一、指定应力比下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型利用复合材料疲劳剩余强度性能试验数据，拟合得到指定应力比r0下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型：

【技术特征摘要】
1.一种复合材料结构谱载疲劳寿命的渐进损伤算法，该算法具体步骤如下：步骤一、指定应力比下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型利用复合材料疲劳剩余强度性能试验数据，拟合得到指定应力比r0下的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型：式中，n为疲劳加载循环次数，为应力比r0下的最大疲劳应力，R(n)为剩余强度，S0为拟合疲劳极限，R0为初始剩余强度，C、p、q为材料常数；步骤二、考虑应力比效应的复合材料疲劳剩余强度性能曲面模型式(1)仅适用于指定应力比r0，为使式(1)适用于任一应力比，采用等寿命曲线公式对式(1)进行修正，即式中，Sa和Sm分别为疲劳应力幅值和应力均值；Sa/Sm为动静载荷比；S-1代表对称循环加载下的疲劳极限；σb为强度极限；d0为基准动静载荷比，通常取d0＝0.9；根据应力比r的定义，得到式中，Smax,r为应力比r下的最大疲劳应力，将式(3)中两式相除得到动静载荷比：将式(3)和式(4)代入式(2)中，得到任一应力比r下的等寿命曲线公式：在指定应力比r0下，式(5)变为将式(5)与式(6)联立，并消除S-1得到将式(7)代入式(1)中，得到任意应力比r下的疲劳剩余强度性能曲面模型：步骤三、载荷谱作用下复合材料结构疲...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊峻江，万傲霜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11