[發(fā)明專利]一種CFRP-金屬混合螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010142559.3
• 申請(qǐng)日: 2020-03-04
• 公開（公告）號(hào): CN111368473B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙麗濱;張嬌蕊;劉豐睿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/15;G06F119/02;G06F119/14
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1.一種競(jìng)爭(zhēng)失效下的CFRP-金屬混合螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟A：采用漸進(jìn)疲勞損傷模型預(yù)測(cè)CFRP板疲勞壽命；

所述步驟A中采用漸進(jìn)疲勞損傷模型預(yù)測(cè)CFRP板疲勞壽命的過(guò)程為：

步驟A1，根據(jù)預(yù)估的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞壽命設(shè)置最大循環(huán)數(shù)n_max和循環(huán)數(shù)增量Δn，并根據(jù)CFRP-金屬混合螺栓連接結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，建立連接結(jié)構(gòu)詳細(xì)的三維有限元模型；

步驟A2，基于連接結(jié)構(gòu)的三維有限元模型在最大疲勞載荷水平下進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布；

步驟A3，采用剩余剛度模型和剩余應(yīng)變模型計(jì)算逐漸退化的材料力學(xué)性能，并對(duì)結(jié)構(gòu)施加初始位移載荷δ₀；

所述步驟A3中計(jì)算逐漸退化的材料力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

(A31)采用分段函數(shù)評(píng)估在疲勞循環(huán)數(shù)為n時(shí)復(fù)合材料的歸一化剩余剛度E(n)

其中，材料參數(shù)A、B和v可通過(guò)單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；

(A32)采用分段函數(shù)評(píng)估在疲勞循環(huán)數(shù)為n時(shí)復(fù)合材料的歸一化剩余應(yīng)變?chǔ)?Sup>R(n)

其中，材料參數(shù)A、B和v可通過(guò)單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；

步驟A4，對(duì)施加位移載荷的含損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，調(diào)取單元積分點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)?Sup>k，其中k為位移增量步，采用擴(kuò)展的最大應(yīng)變準(zhǔn)則檢查單元失效；

所述步驟A4中擴(kuò)展的最大應(yīng)變準(zhǔn)則檢查復(fù)合材料失效狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

(A41)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，讀取單元積分點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)?Sup>k；

(A42)將應(yīng)變值代入如下失效準(zhǔn)則判斷材料失效模式：

當(dāng)i＝j(luò)＝1,2,3時(shí)，若材料發(fā)生拉伸/壓縮失效；

當(dāng)1≤ij≤3時(shí)，若材料發(fā)生拉伸/壓縮失效；

式中，x是McCauley算子，定義為x＝(x+|x|)/2；ε_ij是承受外載荷時(shí)材料主坐標(biāo)系下的應(yīng)變分量；是隨疲勞循環(huán)數(shù)n的增加而逐漸下降的極限應(yīng)變分量；顯然，當(dāng)n＝0時(shí)，即所施加的載荷為靜力載荷時(shí)，擴(kuò)展的最大應(yīng)變準(zhǔn)則蛻變?yōu)閭鹘y(tǒng)的最大應(yīng)變準(zhǔn)則；

(A43)更新單元失效狀態(tài)變量；

步驟A5，如果發(fā)生單元失效，根據(jù)材料性能突降模型對(duì)損傷單元的剛度進(jìn)行退化；否則，施加位移增量Δδ，增大位移載荷，跳到步驟A4；

所述步驟A5中根據(jù)突降退化模型對(duì)失效材料進(jìn)行材料剛度退化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

(A51)如果滿足失效準(zhǔn)則，則材料發(fā)生失效，轉(zhuǎn)到步驟(A52)，否則跳到步驟A4；

(A52)按如下退化模型對(duì)失效材料進(jìn)行剛度退化，更新材料屬性：

纖維拉伸失效，

纖維壓縮失效，

基體拉伸失效，

基體壓縮失效，

纖維-基體剪切失效，

層間拉伸失效，

層間壓縮失效，

其中，E₁₁、E₂₂、E₃₃、G₁₂、G₁₃、G₂₃、ν₁₂、ν₁₃、ν₂₃為復(fù)合材料的三維工程彈性常數(shù)，E₁₁^d、E₂₂^d、E₃₃^d、G₁₂^d、G₁₃^d、G₂₃^d、ν₁₂^d、ν₁₃^d、ν₂₃^d分別為發(fā)生損傷后復(fù)合材料的三維工程彈性常數(shù)；d_ft、d_fc、d_mt、d_dt、d_mc、d_dc、d_fm1、d_fm2分別為失效材料的剛度退化系數(shù)，求解方式為：

d_mt＝d_dt＝0,d_mc＝d_dc≈0

式中，E_m、G_m為復(fù)合材料基體的模量，E₁₁、E₂₂、G₁₂、G₂₃為復(fù)合材料的三維工程彈性常數(shù)，V_f為復(fù)合材料的纖維含量，V_m為復(fù)合材料的基體含量；

(A53)更新材料剛度矩陣，C^k+1＝C^d，其中C^d代表?yè)p傷后材料剛度；

(A54)更新?lián)p傷材料的應(yīng)力σ^k+1＝C^k+1·(ε^k+Δε^k)，其中，ε^k為第k增量步的應(yīng)變，Δε^k為應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

步驟A6，如果位移δ達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大位移δ_max，則提取P-δ曲線，并根據(jù)P-δ曲線確定結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度P_r；否則，施加位移增量Δδ，增大位移載荷，跳到步驟A4；

步驟A7，判斷疲勞載荷譜中的最大載荷P_max是否小于結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度P_r，若P_maxP_r則繼續(xù)提高疲勞循環(huán)數(shù)，輸出相應(yīng)的疲勞循環(huán)數(shù)n，根據(jù)不同疲勞循環(huán)數(shù)下的結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度，通過(guò)插值獲得結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；

步驟B：采用名義應(yīng)力法預(yù)測(cè)金屬板疲勞壽命；

步驟C：將預(yù)測(cè)的CFRP層合板疲勞壽命值與金屬板疲勞壽命值對(duì)比，預(yù)測(cè)競(jìng)爭(zhēng)失效下的混合螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命及失效模式。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種競(jìng)爭(zhēng)失效下的CFRP-金屬混合螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟B中采用名義應(yīng)力法預(yù)測(cè)金屬板疲勞壽命的理論值的過(guò)程為：

步驟B1，根據(jù)在疲勞加載過(guò)程中金屬板的危險(xiǎn)截面所承受的最大拉伸載荷F，求解金屬板的名義應(yīng)力為

σ_n＝F/(W-D)t

式中，F(xiàn)為金屬板的危險(xiǎn)截面所承受的最大拉伸載荷；W為金屬板寬度；D為孔徑；t為金屬板厚度；

步驟B2，根據(jù)金屬的S-N曲線，擬合得到的對(duì)數(shù)疲勞壽命曲線，帶入連接結(jié)構(gòu)中金屬板的名義應(yīng)力，預(yù)測(cè)金屬板的疲勞壽命。