[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

说明书

基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法，确定聚合物基复合材料的性能研究对象，性能研究对象包括纤维、基体和纤维‑基体界面；根据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；利用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；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；根据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。本发明有利于人们对采用聚合物基复合材料制作的设备使用寿命有效预测，从而对设备正常高效的使用具有指导意义。

技术领域

本发明涉及一种基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测方法， 属于复合材料疲劳监测技术领域。

背景技术

聚合物基复合材料(PMC)由于具有优越的比强度和比刚度，因此在许 多应用中被广泛的作为金属的代替品。然而，由于复合材料固有的各向异性 和细观非均质性，传统的金属材料疲劳寿命预测方法并不适用于复合材料， 因此，复合材料的疲劳寿命预测一直是人们关注的焦点。近年来，人们对复 合材料的疲劳寿命预测进行了大量的研究。

现有技术中，存在一种非对称等寿命图(CLD)模型方案，在层合板的 静态拉伸强度和压缩强度下锚定的非对称常数寿命曲线，峰值沿一条线表示 一个“临界应力比”，等于静态压缩强度与静态拉伸强度的比值。随着疲劳 寿命的增加，各等寿命曲线的形状由双线性演化为非线性。CLD可以用静态 拉伸与压缩强度，以及临界应力比下的S-N参考曲线来构造。通过对正交、 π/3准各项同性和π/4准各向同性铺层的碳纤维-环氧树脂(CFRP)层合板进行T-T,T-C,C-C疲劳试验来实现参数确定和预测验证的目的。为了更好的 拟合对称角铺设层合板和离轴UD的实验数据，非对称等寿命图通过分别引 入一个和两个以上的辅助应力比，将两段式CLD拓展到三段和四段，而这些 模型需要额外的疲劳试验来确定模型参数。

现有技术中，存在一种称为加速试验法(ATM)的疲劳寿命预测方法， 将最初用于线性粘弹性材料温度相关弹性特性的时间-温度叠加原理(TTSP) 应用于静态、蠕变，以及聚合物基体和相关复合材料的疲劳强度。基于此假 设，首先利用从传统基体材料蠕变柔度主曲线的构建中得到的时温位移因子， 对相应复合材料层合板在多个温度水平下的静强度试验数据进行位移，从而 生成静强度主曲线。其次，采用第二种假设，将静态强度主曲线转换为蠕变 强度主曲线：蠕变的线性累积损伤定律适用于计算等效于静态强度的蠕变强度，方法是将单调加载历史离散为多个蠕变过程。最后，零应力比和多个温 度水平下的疲劳试验数据平移生成疲劳强度主曲线，并且根据疲劳强度与应 力比成线性关系的第三个假设，结合蠕变强度主曲线可以得到任意应力比在 0-1之间的疲劳强度主曲线。

现有技术中，提出了单轴拉伸下固体强度随时间和温度变化的观点，然 后对各种固体进行了全面的研究，包括金属、陶瓷和聚合物。利用质谱分析 法、电子顺磁共振、小角度X射线衍射等多种技术对断裂过程进行了详细的 研究。不同微观结构的固体除了在非常低或非常高的应力或温度下，应力、 温度与断裂时间的关系非常相似，这意味着可能存在一种普遍的断裂机制。 固体的宏观断裂是原子间键断裂的动力学过程，而键断裂率与热波动的概率 成正比，热波动的概率可由外部应力和温度改变。通过一种简单的半经验型 阿伦尼乌斯公式来关联断裂时间、外部拉伸应力和温度之间的关系。此外， 人们还努力将断裂动力学概念扩展到循环载荷，但尚未有确切的结果报道。

目前，尽管存在上述现有技术方案，但目前还没有一个完善的、被广泛 接受的技术方案能够提供令人满意的预测结果。现在的大多数方法都是基于 复材单层板(UD)的，而且通常对关键组分和失效模式的识别比较困难。然 而，细观力学为深入了解材料中的细观应力分布提供了理论依据，从而更好 地理解疲劳破坏机制，并有可能更好地预测寿命。

综上所述，亟需一种基于细观力学的聚合物基复合材料疲劳寿命预测技 术方案。

发明内容