[发明专利]用于计算结构的疲劳以及疲劳破坏的方法

说明书

本申请提供一种用于计算结构的疲劳以及疲劳破坏的方法。本发明涉及用于虚拟地预测结构的耐久性性能从而能够优化该耐久性性能的方法。在第一步骤，通过一系列计算点对该结构进行建模。然后针对每个点确定由载荷循环所引起的应力及应变。然后，预测并存储由于载荷循环而引起的累积损伤。为了预测，首先使用滞后算子作为载荷随时间变化的函数计算应力沿着滞后分支的一部分的变化，其次使用应力的变化以及所存储的累积损伤，计算损伤的变化。然后基于这些属性的变化来计算应力及应变的进一步的变化，以确定新的适合的滞后分支。然后，作为载荷随时间进一步变化的函数计算应力沿着适合的滞后分支的另外的部分的进一步的变化。最后相应地制造该结构。

技术领域

本发明涉及预测结构的耐久性性能以及疲劳特性的领域。

背景技术

由于轻质材料允许使用较少的生态足迹来提供具有优越机械属性的产品，交通运输、风能及机械行业的制造商越来越多地使用轻质材料。尤其是在交通运输(汽车、航空……)中，大量采用轻质设计材料(例如复合材料)将会是满足日益严格的二氧化碳排放标准的唯一可行的路径。然而目前，在工业设计及开发过程中大规模使用轻质材料受限于缺乏预测性的建模工具来预测轻质材料结构的宏观特性。如果可以基于虚拟模型做出较好的机械预测，则可以基于虚拟模拟(而不是基于最新的且昂贵的物理测试)来优化产品。

复合材料通常可以承受多个载荷循环(即，具有好的疲劳特性)。但是，甚至改变部件的刚度的第一破坏性事件发生地相当早并且发生在相当小的载荷循环下。对于产品设计工程师来说，这意味着他们不能设计出具有“完全不会发生疲劳破坏”的要求的产品，因为这将导致典型的结构的超裕度设计。反之，工程师希望能够预测整个生命周期的疲劳特性-包括刚度的变化，以及不同的破坏机制的交叉影响。通过在产品设计确定方法中使用对疲劳特性的更好的理解，将可以实现更好、更轻且更经济的设计。

例如，在汽车应用中，对疲劳载荷的分解和合成在过去的几十年中已大大地改进。针对当前由金属制造的汽车，正在使用成熟的虚拟设计优化方法，这使得汽车制造商能够按需定制他们的汽车以足以满足实际使用，并且能够量身打造他们的汽车以满足不同的市场的要求，同时确保避免超裕度设计。这涉及针对不同的道路施加完全可变的载荷的复杂的载荷安排。反之，对于复合材料来说，还没有成熟的工具来实际预测产品性能。这意味着在设计过程的较后阶段需要昂贵的物理测试方法来检查/确认复合材料设计是否满足要求。

要解决的问题是适当引进新的虚拟方法以预测复合材料结构的耐久性并且将该新的方法包括在可以用于预测并优化机械结构的耐久性性能的数值设备或工具集中。创新方法以及相关工具集的实用性将使企业能够改进他们用于其轻质产品的设计方法，以较低的成本实现较好的产品质量。此成功的方法的必备要素是：

·在模型中记入累进损伤的能力，即，预测复合材料中的损伤随时间的演化并且在模拟模型中记录实际损伤状态的能力。

·考虑到实际损伤时，预测每个时刻的损伤累积(必须预测朝向下一个步骤的损伤演化)的能力。这需要预测模型中的每个点处的损伤的增加(dD/dN)的所谓的“滞后算子”方法。

·记入可变的循环载荷的影响的能力。这样的时变载荷是在运行(例如，在汽车或航天结构或者风力涡轮机中)经历中的结构，所以必须将时变载荷设计成能承受此运行经历。可变幅值载荷经常由作为块载荷的简化的信号来代替，这是由于简化的信号简化了所建立的模拟和测试。但是如果在设计过程中只使用块载荷(即，随着时间的推移恒定的载荷)，则这不足以确保结构在其生命周期期间可以承受实际的负载。此外，在这些情况中，将与轻质设计的范例相矛盾的大的安全因素增加至设计中。因此，疲劳的模拟不得不也记入可变循环载荷的影响。