[发明专利]基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法

权利要求书

1.基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定聚合物基复合材料的性能研究对象，所述性能研究对象包括纤维、基体和纤维-基体界面；根据所述性能研究对象的本构关系和S-N曲线，重复堆积一个等效体积单元模型构建等效规则纤维阵列；

(2)利用所述单元体模型确定静载荷和疲劳载荷作用下的聚合物基复合材料层压板的多轴时变细观应力；

(3)对于每个性能研究对象的给定细观应力转换成一个等效平均应力和一个等效应力幅值；

(4)根据所述等效平均应力和等效应力幅值，结合蠕变断裂动力学模型获得疲劳失效的循环次数，建立等寿命图用于预测蠕变/疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述等效体积单元模型包括所述聚合物基复合材料的全部性能研究对象；采用应力放大系数将聚合物基复合材料层压板所受的宏观应力和细观应力建立联系：

其中，σ为纤维或基体中某一点的细观应力，是宏观应力，ΔT是温度增量，M和A分别表示宏观应力和温度增量的应力放大系数。

3.根据权利要求2所述的基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，将聚合物基复合材料的随机纤维阵列替换为所述等效规则纤维阵列，对于纤维研究对象将所述多轴时变细观应力的整体效应采用一个等效应力分量表示：

σ_eq,f(t)＝σ_f1(t)

4.根据权利要求3所述的基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，对于基体研究对象等效的方式为：

其中，

β是基体静态压缩强度C_m与静态拉伸强度T_m之比，和分别利用3个直接应力分量的平均值和幅值计算；和分别为利用6个疲劳应力分量各自的均值和幅值计算得到的米塞斯等效应力均值和应力幅值。

5.根据权利要求4所述的基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，对于纤维-基体界面按临界面模型定义等效应力：

其中，σ_n和τ分别是界面点处的法向和剪切应力，k是材料常数；Macauley括号表示法向压应力对界面破坏没有影响；符号函数sgn(σ_n,τ)为取σ_n和τ两者之中绝对值较大的一个的符号；

所述蠕变断裂动力学模型的表示方式为：

其中，

式中，σ_mean和σ_amp分别为外加单轴平均应力和应力幅值；T_c和C_c分别为单轴拉伸和压缩蠕变强度，两者都是温度T和失效时间t_f的函数；σ_eff是等效疲劳应力，表示σ_mean和σ_amp的整体效应，并且与失效循环次数N_f一一对应；σ_eff和N_f之间的关系采用幂函数表示，其中b和m是等效S-N曲线的幅值和斜率参数，两个参数也是温度的函数。

6.根据权利要求5所述的基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述蠕变断裂动力学模型中采用以下公式关联断裂时间、外部拉伸应力和温度：

式中，

其中，t_f是断裂时间，t₀是固体中原子的自然振荡周期，k是玻尔兹曼常数，T_c是单轴拉伸蠕变强度，T是绝对温度，U和γ分别是材料的活化能和活化体积。

7.根据权利要求6所述的基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，单轴拉伸蠕变强度T_c表示为：

其中，U和γ分别是材料的活化能和活化体积，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，N_f是失效循环次数，f是关联频率，h是普朗克常数。