本發(fā)明涉及疲勞強(qiáng)度領(lǐng)域，特指一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞性和輕質(zhì)性等諸多優(yōu)良的性能，因此在航空航天、電子器件、運(yùn)動(dòng)器材、建筑補(bǔ)強(qiáng)、化學(xué)防腐等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在日常使用中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最廣泛的使用形式是層合板，層合板由各種鋪層角度的單向板疊加而成，而層合板的性能又由各各單向板的性能所共同決定。因此，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向板的壽命預(yù)測(cè)以及強(qiáng)度預(yù)測(cè)十分重要是層合板性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

2、對(duì)于單向板而言，目前已經(jīng)有成熟的方法來(lái)預(yù)測(cè)單向?qū)雍习逶谑覝叵碌钠趬勖F(xiàn)有研究中仍然缺少200℃左右的單向板疲勞壽命預(yù)測(cè)研究，尤其對(duì)于樹(shù)脂基復(fù)合材料而言200℃接近其玻璃轉(zhuǎn)化溫度tg會(huì)使基體的性質(zhì)發(fā)生改變從而影響材料整體的力學(xué)性能，且目前的研究中缺少能夠預(yù)測(cè)不同溫度下的單向板疲勞強(qiáng)度及壽命的方法。因此，提出能夠預(yù)測(cè)單向板不同溫度下強(qiáng)度與疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法具有主要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)的發(fā)展，考慮了復(fù)合材料單向板在高溫下會(huì)產(chǎn)生性能退化從而疲勞強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生退化的影響，結(jié)合三種面內(nèi)強(qiáng)度的性能保留率，提出了性能保留率模型并基于此提出了壽命預(yù)測(cè)模型，達(dá)到了預(yù)測(cè)不同溫度下單向板靜強(qiáng)度與疲勞壽命的效果，從而提出了一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法。

2、本發(fā)明所提供的一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法，其步驟為：

3、步驟1)：試驗(yàn)所用試件均為板狀件，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)力加載水平與疲勞載荷水平，分別在室溫，100℃，200℃下測(cè)得單向板靜強(qiáng)度與疲勞壽命。并確定臨界角度，臨界角計(jì)算公式如下：

4、式中θ為臨界角度，xt為軸向拉伸強(qiáng)度，yt為縱向拉伸強(qiáng)度。

5、步驟2)：通過(guò)不同溫度下的靜拉伸試驗(yàn)獲得不同溫度下0°單向板與90°單向板的靜強(qiáng)度，二者分別對(duì)應(yīng)纖維性能保留率與基體性能保留率，通過(guò)性能保留率函數(shù)來(lái)擬合單向板靜強(qiáng)度隨溫度的退化過(guò)程，兩種性能保留率函數(shù)如下：

6、

7、式中mf/mm為纖維/基體性能保留率，tf為纖維所能承受最高溫度，tm為基體所能承受的最高溫度，t為實(shí)驗(yàn)溫度，tr為測(cè)試時(shí)的室溫。ωf/m為擬合常數(shù)。

8、步驟3)：通過(guò)±45°層合板單調(diào)拉伸法測(cè)得不同溫度下的復(fù)合材料剪切強(qiáng)度，并通過(guò)剪切性能保留率函數(shù)ms來(lái)擬合不同溫度下的剪切強(qiáng)度性能變化趨勢(shì)，剪切性能保留率函數(shù)如下：

9、

10、式中ms為剪切性能保留率，tm為基體所能承受的最高溫度，t為實(shí)驗(yàn)溫度，tr為測(cè)試時(shí)的室溫。ωs為擬合常數(shù)。

11、步驟4)：通過(guò)常溫下的單向板疲勞試驗(yàn)得到0°與90°單向板的疲勞壽命s-n曲線，其形式如下：

12、σmax＝a+b·log(n)

13、式中σmax為最大循環(huán)疲勞應(yīng)力，a與b為擬合常數(shù)，n為疲勞壽命。0°試件的s-n曲線記為x(n),90°試件的s-n曲線記為y(n)。

14、步驟5)：剪切疲勞曲線通過(guò)介于θc與45°之間的偏斜角度的單向的疲勞壽命推測(cè)，剪切疲勞曲線推測(cè)公式如下：

15、

16、式中s(n)為剪切疲勞曲線，σθ(n)為符合角度要求的單向板的s-n曲線，y(n)為90°試件的s-n曲線。

17、步驟6)：對(duì)于纖維偏斜角度小于臨界角的單向板采用如下公式進(jìn)行計(jì)算其靜強(qiáng)度：

18、

19、式中為偏斜角度為θ的由基體主導(dǎo)的單向板的靜強(qiáng)度，σ90°為90°單向板的靜強(qiáng)度，s12為面內(nèi)剪切強(qiáng)度。

20、對(duì)于纖維偏斜角度大于臨界角的單向板采用如下公式進(jìn)行計(jì)算其靜強(qiáng)度：

21、

22、式中為偏斜角度為θ的由纖維主導(dǎo)的單向板的靜強(qiáng)度，σ90°為90°單向板的靜強(qiáng)度，s12為面內(nèi)剪切強(qiáng)度。

23、步驟7)：將強(qiáng)度準(zhǔn)則拓展為疲勞失效準(zhǔn)則可以得到如下關(guān)系式，即可得到在不同溫度下不同偏斜角度試件的疲勞壽命關(guān)系。

24、基體主導(dǎo)單向板：纖維主導(dǎo)單向板：式中n為疲勞壽命，a與b為擬合參數(shù)。在計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命關(guān)系通過(guò)后最小二乘法擬合得出a與b從而得到疲勞s-n曲線。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

26、本法發(fā)明提出一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法，該方法通過(guò)采用不同的余弦函數(shù)來(lái)擬合復(fù)合材料單向板的三種面內(nèi)強(qiáng)度性能保留率隨著溫度的升高而發(fā)生性能退化的過(guò)程，并基于hashin失效結(jié)合三種面內(nèi)性能保留率函數(shù)模型使其可以用來(lái)預(yù)測(cè)不同溫度下的單向板靜強(qiáng)度。之后通過(guò)所提出的剪切疲勞曲線計(jì)算方法計(jì)算剪切疲勞曲線，并結(jié)合試驗(yàn)得到的0°與90°單向板s-n曲線從而將hashin失效準(zhǔn)則拓展為疲勞失效準(zhǔn)則，使其可以預(yù)測(cè)不同溫度下的不同偏斜角度的單向板的疲勞壽命。解決了不同偏斜角度的單向板的在不同溫度下的靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)以及疲勞壽命預(yù)測(cè)的問(wèn)題，溫度環(huán)境下的單向板性能預(yù)測(cè)提供了可靠的解決方法，該方法簡(jiǎn)潔可靠具有工程實(shí)用價(jià)值，便于工程計(jì)算。

技術(shù)特征：

1.一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：該方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法其特征在于：步驟2)與步驟3)定義兩種適用于樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能保留率模型；步驟5)：采取一種特殊的剪切疲勞s-n曲線計(jì)算方法；步驟7)結(jié)合步驟6)提出一種適用于不同溫度與不同偏斜角度的單向板疲勞壽命預(yù)測(cè)的壽命預(yù)測(cè)模型。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于溫度性能退化的樹(shù)脂基復(fù)合材料單向板壽命預(yù)測(cè)方法，在考慮了復(fù)合材料單向板處于不同溫度下其不同面內(nèi)強(qiáng)度具有不同的性能保留率的基礎(chǔ)上，提出了一種用于描述樹(shù)脂基復(fù)合材料纖維、基體、剪切強(qiáng)度性能保留率隨溫度升高而降低過(guò)程的性能保留率模型，并基于性能保留率模型與哈西失效準(zhǔn)則將其拓展為可以預(yù)測(cè)不同溫度下單向板靜強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型。在強(qiáng)度模型的基礎(chǔ)上提出采用15°單向板的S?N曲線來(lái)推測(cè)純剪切疲勞損傷情況下的S?N曲線，并結(jié)合0°與90°單向板的S?N曲線將該模型拓展為疲勞失效準(zhǔn)則使其可以預(yù)測(cè)不同溫度下不同纖維取向單向板的疲勞壽命，所提出模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。該模型算法簡(jiǎn)單，易于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

技術(shù)研發(fā)人員：尚德廣,周帥,周全,李文龍,錢程,趙博成,韓兆云,宋士豪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8