(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011229174.7
(22)申请日 2020.11.06
(71)申请人 中国石油大学（华东）
地址 266580 山东省青岛市黄岛区长江西
路66号
(72)发明人 张倩 谷文斌 孙广华 刘建林
(74)专利代理机构 北京开阳星知识产权代理有
限公司 11710
代理人 姚金金
(51)Int.Cl.
G06F 30/23(2020.01)
G16C 60/00(2019.01)
G06F 113/26(2020.01)
G06F 119/02(2020.01)
G06F 119/04(2020.01)
G06F 119/14(2020.01)
(54)发明名称一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法(57)摘要本发明提供了一种纤维增强 聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，包括步骤1：建立纤维增强聚合物基复合材料的疲劳失效准则公式；步骤2：建立纤维方向和非纤维方向的疲劳寿命预测公式；步骤3：利用ABAQUS建立计算模型；步骤4：利用步骤3的模型计算得出结果：已知材料疲劳寿命与载荷比相关，而剩余强度和刚度又与疲劳寿命相关，因此剩余强度及剩余刚度为循环周数、应力水平和载荷比的函数，将此函数代入到步骤3的模型中，计算，得到结果。本发明能够对纤维增强聚合物基复合材料的疲劳寿命进行预测， 结果准确性高。权利要求书3页 说明书8页 附图3页CN 112541284 A 2021.03.23
C N 112541284
A
1.一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：建立纤维增强聚合物基复合材料的疲劳失效准则公式：
A、基于Hashin准则的公式，引入适当压缩载荷提高剪切阻抗的影响因子，建立基于应变的失效准则的公式；
B、用剩余强度代替静强度，代入基于应变的失效准则中，从而建立疲劳失效准则的公式；
步骤2：建立纤维方向和非纤维方向的疲劳寿命预测公式：
基于纤维和非纤维方向性能的差异，结合步骤1建立的疲劳失效准则的公式，分别建立纤维方向和非纤维方向的疲劳寿命预测公式；
步骤3：利用ABAQUS建立计算模型
A、将步骤1得到的公式编写一个子程序嵌入到ABAQUS中，建立疲劳失效准则；
B、将步骤2得到的公式编写一个子程序嵌入到ABAQUS中，建立材料性能退化模型；
C、利用ABAQUS中的内聚力模型，建立疲劳分层模型；
步骤4：利用步骤3的模型计算得出结果：
已知材料疲劳寿命与载荷比相关，而剩余强度和刚度又与疲劳寿命相关，因此剩余强度及剩余刚度为循环周数、应力水平和载荷比的函数，将此函数代入到步骤3的模型中，计算，得到结果。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤1中，基于应变的失效准则的公式为：
纤维拉伸模式，ε11≥0:
纤维压缩模式，ε11＜0:
基体拉伸模式，ε22+ε33≥0:
基体压缩模式，ε22+ε33＜0:
式中ε11、ε22、ε33、ε12、ε13、ε23分别为三个正应变和三个切应变；
X t 、X c 分别为单向板纵向的拉伸和压缩强度；Y t 、Y c 分别为单向板横向的拉伸和压缩强度；S 12、S 23为单向板的剪切强度；C 11、C 22、C 33、C 12、C 23为单向板刚度矩阵中的参数；α为反映剪切应力对纤维拉伸损伤的影响因子；μ为反映适当压缩载荷提高剪切阻抗的影响因子。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤1中，用剩余强度代替静强度，代入基于应变的失效准则中，从而建立疲劳失效准则的公式为：
纤维拉伸模式，ε11≥0：
纤维压缩模式，ε11＜0：
基体拉伸模式，ε22+ε33≥0：
基体压缩模式，ε22+ε33＜0：
式中，ε11、ε22、ε33、ε12、ε13、ε23为三个正应变和三个切应变；
X t (n ,σ,k)、X c (n ,σ,k)分别表示纵向的剩余拉伸强度和剩余压缩强度；Y t (n ,σ,k)、Y c (n ,σ,k)分别表示横向的剩余拉伸强度和剩余压缩强度；S 12(n ,σ,k)、S 23(n ,σ,k)为剩余剪切强度；C ′11、C ′22、C ′33、C ′12、C ′23表示刚度退化后刚度矩阵中的元素；μ为反映适当压缩载荷提高剪切阻抗的影响因子。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤2中纤维方向定义为0°，纤维方向的疲劳寿命预测公式为：
0°方向寿命预测公式表达如下：
式中，σa ＝(σmax ‑σmin )/2，σm ＝(σmax +σmin )/2，σmax 和σmin 分别为最大和最小循环应力，σt 和σc 分别为拉伸强度和压缩强度，
A，B和f为基于疲劳寿命试验数据拟合所得参数。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤2中非纤维方向特指偏离纤维方向90°，非纤维方向的疲劳寿命预测公式为：
90°方向的寿命预测公式表达如下：
式中，
|σm |＝(|σmax |+|σmin |)/2，σa ＝(σmax ‑σmin )/2，σmax 和
σmin 分别为最大和最小循环应力。
6.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤3的C中，利用内聚力模型进行分层损伤扩展，基于双线性内聚力模型，对混合型分层模式下的牵引力张开位移关系进行描述，疲劳分层演化通过建立疲劳分层扩展与载荷循环周数的关系进行描述。
一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法
技术领域
[0001]本发明属于纤维增强聚合物基复合材料疲劳性能分析计算领域，涉及一种纤维增强聚合 物基复合材料疲劳寿命的计算方法。
背景技术
[0002]纤维增强聚合物基复合材料作为一种常用的复合材料，因具有可设计性强、耐腐蚀性强 等特点可在恶劣环境及复杂工况中使用。纤维增强聚合物基复合材料以纤维为增强相，以聚 合物为基体。纤维增强聚合物基复合材料的应用遍及众多领域，包括航空航天、
建筑工程、 船舶、新型能源、电力输送、高速列车和石油开采等。在航空航天领域，
最新一代的民用客 机中复合材料使用比例可达50％左右。纤维增强聚合物基复合材料常在疲劳工况下服役，疲 劳失效是其最主要的破坏模式，对其疲劳寿命进行准确预测至关重要。当前存在的疲劳寿命 预测方法可分为四大类：疲劳寿命经验模型(S ‑N曲线，古德曼图等)、唯象模型、仅适用于 特定结构复合材料板的模型和渐进疲劳损伤模型。其中前两类模型对失效机制考虑不足，第 三类模型缺乏普适性。第四类渐进疲劳损伤模型适用范围广，可预测疲劳损伤的萌生和演化 过程，但对失效准则的准确性要求高，现存模型缺乏对疲劳分层的深入描述，循环退化模型 未考虑纤维与非纤维方向性能的差异。因此，建立实用性强、准确度高，对失效模式考虑全 面的疲劳寿命预测方法，对纤维增强聚合物基复合材料的抗疲劳设计具有重要的意义。
发明内容
[0003]针对上述问题，本发明提供一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，首先 开发基于应变的疲劳失效准则，区分循环退化模型中复合材料纤维与非纤维方向性能的差异 性，并考虑疲劳分层破坏对疲劳寿命的影响，建立纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命预测 方法，最终达到准确预测纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的目的。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
[0005]一种纤维增强聚合物基复合材料疲劳寿命的计算方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：建立纤维增强聚合物基复合材料的疲劳失效准则公式：
[0007]A、基于Hashin准则的公式，引入适当压缩载荷提高剪切阻抗的影响因子，建立基于应 变的失效准则的公式；
[0008]B、用剩余强度代替静强度，代入基于应变的失效准则中，从而建立疲劳失效准则的公式；
[0009]步骤2：建立纤维方向和非纤维方向的疲劳寿命预测公式：
[0010]基于纤维和非纤维方向性能的差异，结合步骤1建立的疲劳失效准则的公式，分别建立 纤维方向和非纤维方向的疲劳寿命预测公式；
[0011]步骤3：利用ABAQUS建立计算模型：
[0012]A、将步骤1得到的公式编写一个子程序嵌入到ABAQUS中，建立疲劳失效准则；
说 明 书1/8页CN 112541284 A
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议