[發明專利]一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法

有效

• 申請號: 202110146904.5
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112906264B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 吳喬國;祖磊;張騫;張桂明;韓丁;康凱;王乾坤
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1，測試獲得金屬內膽材料的彈性模量E和屈服強度σ_y；

S2，測試金屬內膽材料的疲勞性能數據，具體如下所示：

S201，當測試循環應力的最大值σ_max小于屈服強度σ_y，即σ_max＜σ_y，則按照GB/T3075-2020的金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法，分別測試金屬內膽材料在應力比R_σ＝-1、不同應力幅σ_a下的疲勞壽命N_f；

S202，當測試循環應力的最大值σ_max大于或等于屈服強度σ_y，即σ_max≥σ_y，則按照GB/T26077-2020的金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法，分別測試金屬內膽材料在應變比R_ε＝-1、不同應變幅ε_a下的疲勞壽命N_f；

將金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法中測試所用的不同應變幅ε_a分別乘以金屬內膽材料的彈性模量E，分別計算得到金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法中各應變幅ε_a所對應的不同應力幅σ_a，σ_a＝Eε_a；

S3，根據步驟S201的金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法中在不同應力幅σ_a下的疲勞壽命N_f數據，以及根據步驟S202的金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法中各應變幅ε_a所對應的不同應力幅σ_a下的疲勞壽命N_f數據，得到應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的最佳擬合曲線，具體方式為：構建二維坐標系，橫坐標為疲勞壽命N_f的對數坐標，縱坐標為應力幅σ_a的線性坐標，將金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法中不同應力幅σ_a下的疲勞壽命N_f數據，以及將金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法中應變幅ε_a所對應的不同應力幅σ_a下的疲勞壽命N_f數據均在該二維坐標系中以坐標點的形式標出，并采用最小二乘法對坐標點進行擬合，得到應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的關系曲線即最佳擬合曲線，并得到應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的最佳擬合曲線的關系表達式為σ_a＝f(N_f)；

S4，根據步驟S3中的應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的最佳擬合曲線，將該最佳擬合曲線中的應力幅σ_a除以2，即將最佳擬合曲線的縱坐標值縮小2倍，得到第一曲線；將該最佳擬合曲線中的疲勞壽命N_f除以20，即將最佳擬合曲線的橫坐標值縮小20倍，得到第二曲線；對第一曲線和第二曲線分別取下包絡線進行合并，得到應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的設計疲勞曲線，并得到應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的設計疲勞曲線的關系表達式為σ_a＝g(N_f)；

S5，建立金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶在內壓作用下的有限元分析模型，具體如下所示：

S501，在ABAQUS/CAE中分別建立金屬內膽、碳纖維復合材料層的幾何模型；

S502，設置金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的材料屬性，具體為：金屬內膽賦予考慮應變硬化效應材料屬性的本構模型；碳纖維復合材料層賦予考慮纖維拉伸與壓縮、基體拉伸與壓縮、面內剪切失效模式的連續損傷本構模型；

S503，劃分網格單元；

S504，施加邊界條件，具體為：確定金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的約束部位，并對約束部位施加邊界條件；

S505，定義接觸，具體為：在碳纖維復合材料層與金屬內膽之間設置通用接觸算法；

S506，設置計算分析步，包括：

分析步1：氣瓶在自緊壓力P_a下的有限元分析；

分析步2：氣瓶在內壓力P₀為0MPa下的有限元分析；

分析步3：氣瓶在循環壓力下限P_min下的有限元分析；

分析步4：氣瓶在循環壓力上限P_max下的有限元分析；

S6，根據步驟S5的計算結果，選取金屬內膽上的Mises等效應力最大的單元作為危險點；

S7，根據步驟S5的分析步3的計算結果，分別獲得在分析步3中危險點的第一主應變ε′₁、第二主應變ε′₂、第三主應變ε′₃，將分析步3中危險點的第一主應變ε′₁、第二主應變ε′₂、第三主應變ε′₃分別乘以金屬內膽材料的彈性模量E，分別得到在分析步3中即氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第一應力σ′₁、第二應力σ′₂、第三應力σ′₃；

根據步驟S5的分析步4的計算結果，分別獲得在分析步4中危險點的第一主應變ε″₁、第二主應變ε″₂、第三主應變ε″₃，將分析步4中危險點的第一主應變ε″₁、第二主應變ε″₂、第三主應變ε″₃分別乘以金屬內膽材料的彈性模量E，分別得到在分析步4中即氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第一應力σ″₁、第二應力σ″₂、第三應力σ″₃；

S8，根據步驟S7獲得的在分析步3中即氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第一應力σ′₁、第二應力σ′₂、第三應力σ′₃，計算氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的各個應力差值σ′_ij，i＝1,2,3，j＝1,2,3，i≠j，具體計算方式如下所示：

其中，σ′₁₂表示氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第一應力差值；σ′₂₃表示氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第二應力差值；σ′₃₁表示氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第三應力差值；

根據步驟S7獲得的在分析步4中即氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第一應力σ″₁、第二應力σ″₂、第三應力σ″₃，計算氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的各個應力差值σ″_ij，i＝1,2,3，j＝1,2,3，i≠j，具體計算方式如下所示：

其中，σ″₁₂表示氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第一應力差值；σ″₂₃表示氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第二應力差值；σ″₃₁表示氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第三應力差值；

S9，根據氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的各個應力差值σ′_ij和氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的各個應力差值σ″_ij，分別計算危險點的各個交變應力幅σ_altij，i＝1,2,3，j＝1,2,3，i≠j，具體計算方式如下所示：

其中，σ_alt12表示第一交變應力幅；σ_alt23表示第二交變應力幅；σ_alt31表示第三交變應力幅；

S10，根據步驟S7獲得的在分析步3中即氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第一應力σ′₁、第二應力σ′₂、第三應力σ′₃，計算氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的各個應力均值σ′_nij，i＝1,2,3，j＝1,2,3，i≠j，具體計算方式如下所示：

其中，σ′_n12表示氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第一應力均值；σ′_n23表示氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第二應力均值；σ′_n31表示氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的第三應力均值；

根據步驟S7獲得的在分析步4中即氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第一應力σ″₁、第二應力σ″₂、第三應力σ″₃，計算氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的各個應力均值σ″_nij，i＝1,2,3，j＝1,2,3，i≠j，具體計算方式如下所示：

其中，σ″_n12表示氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第一應力均值；σ″_n23表示氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第二應力均值；σ″_n31表示氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的第三應力均值；

S11，根據氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的各個應力均值σ′_nij和氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的各個應力均值σ″_nij，分別計算危險點的第一平均應力第二平均應力第三平均應力其中，危險點的各個平均應力i≠j的具體計算如下所示：

從氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的應力均值σ′_nij和氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的應力均值σ″_nij中，找出應力均值最大值σ_nijmax和應力均值最小值σ_nijmin，即σ_nijmax＝max{σ′_nij,σ″_nij}，σ_nijmin＝min{σ′_nij,σ″_nij}，根據該應力均值最大值σ_nijmax和應力均值最小值σ_nijmin計算對應的平均應力具體如下所示：

從氣瓶在循環壓力下限P_min下的危險點的應力σ′_ij和氣瓶在循環壓力上限P_max下的危險點的應力σ″_ij中，找出應力最大值σ_ijmax和應力最小值σ_ijmin，即σ_ijmax＝max{σ′_ij,σ″_ij}，σ_ijmin＝min{σ′_ij,σ″_ij}；

若σ_ijmax＜σ_y且σ_ijmin＞-σ_y，則平均應力的計算方式如下所示：

若σ_altij≥σ_y，則平均應力的計算方式如下所示：

若上述條件均不滿足，即σ_ijmax＞σ_y或σ_ijmin＜-σ_y，且σ_altij＜σ_y，則平均應力的計算方式如下所示：

S12，根據步驟S11獲得的危險點的各個平均應力以及步驟S9獲得的危險點的各個交變應力幅σ_altij，分別計算危險點的第一等效應力幅σ_alt12,-1、第二等效應力幅σ_alt23,-1、第三等效應力幅σ_alt31,-1；其中，危險點的等效應力幅σ_altij,-1，i＝1,2,3，j＝1,2,3，i≠j的具體計算如下所示：

其中，σ_b為金屬內膽材料的抗拉強度；

S13，計算最終等效應力幅σ_alt,-1，具體如下所示：

σ_alt,-1＝max(σ_alt12,-1,σ_alt23,-1,σ_alt31,-1)

S14，將步驟S13中的最終等效應力幅σ_alt,-1，代入步驟S3的應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的最佳擬合曲線的關系表達式σ_a＝f(N_f)中，得出最終等效應力幅σ_alt,-1在最佳擬合曲線下所對應的疲勞壽命N_f；

將步驟S13中的最終等效應力幅σ_alt,-1，代入步驟S4的應力幅σ_a與疲勞壽命N_f之間的設計疲勞曲線的關系表達式σ_a＝g(N_f)中，得出最終等效應力幅σ_alt,-1在設計疲勞曲線下所對應的疲勞壽命N_f。