[发明专利]基于疲劳缺口系数的针刺复合材料疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了基于疲劳缺口系数的针刺复合材料疲劳寿命预测方法，涉及复合材料疲劳强度理论领域。针刺长纤维增强针刺复合材料由长纤维层、网胎层(即短切纤维层)、针刺纤维束所组成。本发明的方法包括，缺口结构的名义应力计算、考虑基体孔隙的基体弹性参数计算、长纤维层的弹性参数计算、包含针刺纤维束的代表性体积单元弹性参数计算、基于有限元的缺口应力集中系数计算、建立拉伸缺口系数与应力集中系数的关系、建立疲劳缺口系数与名义应力的关系、借助光滑试件S‑N曲线(应力‑寿命曲线)建立缺口疲劳寿命预测方程。所提出方法具有明确的物理意义，可用于包含缺口的针刺复合材料的疲劳寿命预测。

技术领域

本发明属于复合材料疲劳寿命预测领域，尤其涉及针刺长纤维增强复合材料基于疲劳缺口系数的疲劳寿命预测。

背景技术

复合材料具有耐腐蚀、高比刚度、高比强度等优点，被广泛应用于航空航天、船舶、车辆、建筑结构、体育用品等领域。针刺复合材料在二维层合复合材料基础上引入了针刺纤维束。相较于传统二维层合复合材料，针刺结构不仅克服了厚度方向层间强度较低的缺点，同时还克服了三维编织复合材料制造成本高的不足之处。针刺复合材料主要由增强纤维与基体两相组成，其微观结构包括长纤维层、网胎层(即短切纤维层)、针刺纤维束。对于多孔复合材料，材料基体中的孔隙会削弱基体的刚度与强度。在实际应用中，材料上的缺口区域可以用作螺栓连接或铆接的紧固点。但由于缺口附近区域的几何不连续，将产生远高于外加应力的局部应力场。因此，有必要提出一种针对针刺复合材料缺口结构疲劳寿命预测的方法。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于疲劳缺口系数的针刺复合材料寿命预测方法。本发明在充分考虑材料弹性参数各向异性、孔隙对材料弹性性能影响、代表性体积单元基础上，确定了材料的宏观弹性参数。并借助有限元方法计算缺口结构的应力集中系数。在此基础上，建立了应力系数与拉伸缺口系数的关系，考虑了名义应力水平对疲劳缺口系数的影响。进而，将疲劳缺口系数引入光滑试件的S-N曲线(应力-寿命曲线)中，即可实现包含缺口针刺复合材料结构的疲劳寿命预测。

本发明采用的技术方案为基于疲劳缺口系数的针刺复合材料疲劳寿命预测方法，本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：缺口结构的名义应力计算，具体数学表达式为

式中，F为外加恒幅疲劳载荷最大值；w为包含缺口的复合材料结构宽度；t为包含缺口的复合材料结构厚度。

步骤(2)：考虑基体孔隙的基体弹性参数计算。首先需明确针刺复合材料的孔隙率，进而计算根据考虑孔隙的弹性模量剩余比例，计算考虑孔隙的基体弹性参数值。具体数学表达式为

φ＝1-V_f-V_m

式中，φ为孔隙率；V_f与V_m分别为针刺复合材料中纤维与基体的体积分数。

G_r＝γ(1-φ)²

式中，E_r为考虑孔隙的基体弹性模量剩余比例；G_r为考虑孔隙的基体剪切模量剩余比例；φ为孔隙率；[E]为根据基体材料属性拟合获得的调节参数；μ为基体材料泊松比。

E_m′＝E_r·E_m

G_m′＝G_r·G_m

式中，E_m’与E_m分别为考虑孔隙与不考虑孔隙的基体弹性模量；G_m’与G_m分别为考虑孔隙与不考虑孔隙的剪切弹性模量。