复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法

1.本发明涉及的是一种复合材料加工领域的技术，具体是一种考虑环境因素影响的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式快速预测方法。


背景技术：

2.混合(铆接/粘结)连接包括将先进复合材料和高强合金连接在一起形成完整的结构，其不同于传统接头相对单一的失效类型，混合连接接头失效模式多种多样。又由于混合连接在服役过程中面临湿热老化作用和不同的疲劳加载的共同影响，其失效模式难以预测。针对复合材料与金属胶铆混合连接结构服役环境中的疲劳失效问题，如何分析湿热老化因素的影响，如何分析在不同疲劳加载条件下预测接头各部分相对强度，是实现疲劳失效模式快速预测的关键。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术未考虑到含胶层的复杂连接结构且无法计算实际服役过程中湿热老化影响下连接的疲劳寿命的不足，提出一种复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法。基于先验知识预设失效类别，利用所提出的混合接头内部分组竞争疲劳机制，对材料在特定疲劳加载与环境影响工况下相对优势进行比较，其结果与预设失效类别进行匹配，从而实现疲劳失效类型的快速预测。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，包括：
6.第一步，对复合材料/金属胶铆混合连接预设包括机械连接失效，即a型失效和胶接失效，即b型失效的疲劳失效模式。
7.所述的疲劳失效模式是指：在不同的湿热环境和疲劳载荷条件的共同作用下，构成混合连接的各材料具有不同的相对竞争优势，导致可能发生多种失效模式，其中：机械连接失效，即a型失效和胶接失效，即b型失效的并存将导致连接完全失效。
8.所述的机械连接失效包括紧固件失效，即a1型失效和基板失效，即a2型失效。
9.所述的胶接失效包括复合材料分层，即b1型失效和粘结层失效，即b2型失效。
10.所述的疲劳失效模式中，当发生任何形式的机械连接失效，混合接头会退化为一个粘结接头，因此在失效过程中a1型失效和a2型失效不能出现在一个接头上。同样，在破坏过程中，b1型失效和b2型失效不能同时出现。由于各种材料在不同条件下竞争优势的不同，其失效模式的顺序也会发生变化。因此，对于相同的混合连接，在不同的湿热条件和疲劳载荷条件下，失效模式具体包括：a1_b1型失效、a1_b2型失效、a2_b1型失效、a2_b2型失效、b1_a1型失效、b1_a2型失效、b2_a1型失效和b2_a2型失效，其中：“_”表示失效类型出现的前后顺序，即第一阶段和第二阶段。预设失效模式已包含该类型连接所有失效可能。
11.所述的疲劳失效模式是指：连接结构经疲劳加载后完全断开，或者达到疲劳极限
部分破坏的具体形式。
12.所述的湿热环境是指：温度范围-40至80℃，湿度范围0％至100％相对湿度。
13.所述的竞争优势是指：在特定湿热条件与疲劳加载条件下，某一材料或结构展示出较其他材料或结构更加优异的性能。
14.所述的机械连接失效是指：铆钉对复合材料基板与金属基板的约束作用的解除。
15.所述的胶接失效是指：粘结剂对复合材料基板与金属基板的约束作用的解除。
16.所述的失效模式的顺序是指：混合连接由于分为胶接和铆接两个子部分，其中：一部分失效不引起结构断开。这意味着胶铆混合连接结构完全失效伴随胶接和铆接的全部失效，必然存在失效顺序。其中：在失效中a1和a2不能共存，b1和b2也不能共存。
17.判断复合材料与金属胶铆混合连接在具体湿热条件与疲劳加载条件作用下将与上述预设失效模式中哪一种进行匹配，首先需要对连接结构在该工况下的受力进行分析。该分析基于有限元理论，其核心是考虑环境工况的材料参数预测。
18.第二步，构建基于吸水率、化学结构与环境温度的材料参数预测模型，具体为：其中：p(m,t)为材料力学性能参数预测值，可代表刚度、强度等力学性能指标，j＝1,2,3
…
k；老化项m为吸湿值，k为红外光谱分析得到对老化敏感的官能团个数，是官能团光谱吸收强度与吸湿量之间的函数关系，a、b、c、λ均为拟合参数，其通过对吸湿、红外光谱和材料室温力学性能的实验数据拟合得到，环境温度项i＝1,2
…
n，该环境温度项是为了考虑老化与温度的耦合效应，用以修正温度对材料性能的影响；其中t为真实环境温度值，tm为室温(取20℃)；α和β表示每种材料对温度项的拟合系数，i表示拟合曲线的阶数，根据材料性质随温度变化的规律确定，一般取2。
19.所述的材料参数是指：有限元计算所使用的材料弹性模量、泊松比以及强度。
20.所述的官能团光谱吸收强度是指：利用红外光谱仪对老化后高子材料进行分析得到光谱图，其中：官能团对应的吸收峰值大小。
21.所述的对老化敏感的官能团，指在老化后光谱吸收峰值变化明显的官能团。建议根据实际情况选取变化最明显的2个官能团作为变量。
22.第三步，计算接头结构中各材料的最大应变：将第二步所得材料参数预测模型赋予连接相对应的材料属性后，进行网格划分、位移边界条件设置与接触设置并提取待预测的疲劳循环中载荷峰值，即疲劳加载循环曲线中波峰对应的力值作为力的边界条件；然后通过有限元计算得到包含接头各部分材料的应变场的有限元计算结果文件；再从中提取并记录复合材料面内最大剪应变、复合材料层间最大应变、胶层最大主应变、金属板最大主应变和铆钉最大主应变。
23.所述的网格划分是指：依据真实结构几何信息建立数值模型并划分网格。
24.所述的位移边界条件设置是指：依据实际外界位移约束情况，对连接件进行位移约束设置。
25.所述的接触设置是指：紧固件与基板之间的接触，设置为刚性接触类型。
26.所述的待预测的疲劳循环中载荷峰值，通过力传感器提取得到。
27.第四步，对原始材料ε-n曲线，即疲劳加载最大应变与疲劳循环寿命之间的关系曲线进行处理，以满足对不同环境影响的预测需求：通过改进kawai方法在拉-拉与压-压两条s-n曲线构造等寿命曲线图(cld)描述材料在拉压、剪切不同应力比状态下的疲劳寿命，具体包括：
28.4.1)借助kawai模型，使用r＝0.1的s-n曲线数据预测r＝χ的疲劳寿命，进而利用r＝χ分隔线构造右半边的cld；
29.4.2)将使用拉-拉疲劳预测r＝χ的疲劳寿命，借助kawai模型建立r＝χ分隔线构造左半边的cld。此时由于kawai模型是通过拉-拉疲劳试验构造的，因此压-压疲劳预测结果与试验存在显著差异；
30.4.3)通过拉-拉疲劳预测r＝χ的疲劳寿命与压缩强度点构建r＝χ分隔线改进左半边的线性cld。将第4.2中构造的kawai模型cld与线性cld进行比例组合，形成左半边cld；
31.4.4)基于r＝χ分隔线左右cld均已获得，材料完整cld构建完毕，得到改进的kawai模型为：其中：复合材料受环境因素影响较大，原始曲线表达式为的情况下，受环境影响后ε-n曲线需要退化为为指不考虑环境影响时复合材料疲劳断裂对应的加载循环次数；指不考虑环境影响时复合材料疲劳加载峰值对应的最大应变量；指考虑环境影响时复合材料疲劳断裂对应的加载循环次数；指考虑环境影响时复合材料疲劳加载峰值对应的最大应变量；s
unaged
和e
unaged
分别指未受环境影响的强度和模量；s
aged
和e
aged
分别指受环境影响的强度和模量，由上述预测方程p(m,t)预测得到；胶层同样容易受环境因素影响，但是其刚度与强度往往等比例变化，导致其ε-n曲线几乎不受环境影响，故对胶层使用原始的ε-n曲线；金属基板与铆钉是金属材料，在本发明涉及的环境变化范围内不发生疲劳性能的明显改变，故对金属材料使用原始的ε-n曲线。
32.所述的ε-n曲线，采用但不限于疲劳试验机测试得到。
33.第五步，根据第三步得到的接头结构中各材料的最大应变和第四步得到的等寿命曲线曲判别失效对应第一步中预设具体类型，具体包括：
34.5.1)将预测的特定环境影响下混合连接各组分材料最大应变代入特定环境影响下各组分材料的ε-n曲线，计算出各组分材料的疲劳寿命其中：i＝1,2,
……
5，分别对应复合材料面内、复合材料层间、胶层、金属板和铆钉，其中：最小的(记为n
min
)所对应的材料，即最先发生失效部位，从而判别出第一阶段失效类型。
35.5.2)考虑到接头中不同材料在不同疲劳加载和环境因素影响存在疲劳竞争优势的差异，在对同一个接头改变环境条件预测时可能预测出不同失效类型，按不同失效类型对应部位的q-n曲线绘制疲劳竞争机制图，通过提取在不同环境下q-n曲线的交点绘制疲劳类型分区图。通过该图可以判断出不同疲劳加载和环境因素对第一阶段失效类型的影响规
律。
36.所述的疲劳竞争优势是指：在不同条件下，接头中各材料疲劳性能的相对优劣会发生变化。
37.所述的q-n曲线是指：疲劳载荷峰值与接头强度的比值q，和结构疲劳失效寿命n之间的关系曲线。
38.5.3)考虑到失效顺序的问题，失效第一阶段发生后结构还未完全断开，回到步骤三并将已失效部位材料对应的数值模型的网格删除，胶铆混合连接结构退化成单纯的胶接或者铆接形式并重新计算最大应变。考虑到在失效第一阶段，各部分承受循环载荷已经出现部分疲劳损伤，这部分损伤需要通过损伤累计准则计算并和第二失效阶段疲劳进行叠加，从而实现第二阶段疲劳类型预测，具体为：判断第一阶段累计的损伤量当损伤达到100％即认为发生疲劳失效，即第二阶段开始，未断裂部位剩余疲劳寿命百分比为经过网格删除后，重新计算最大应变，从而再次依据ε-n曲线获得第二阶段伪疲劳寿命进一步得到剩余部分第二阶段实际断裂寿命为其中：最小的所对应的材料，即第二阶段最先发生失效部位，从而依据步骤一的失效模式预设判别出第二阶段失效类型。
39.5.4)同样第二阶段失效类型也受材料疲劳竞争机制的影响，可以按不同失效类型对应部位的q-n曲线绘制疲劳竞争机制图。在第一阶段的疲劳类型分区图基础上，提取在不同环境下q-n曲线的交点绘制第二阶段疲劳类型分区图，通过该图可以判断出不同疲劳加载和环境因素对第二阶段失效类型的影响规律。至此，实现混合连接受环境影响的疲劳失效类型预测的全过程。
40.所述的疲劳损伤是指：在疲劳加载过程中，即使未发生断裂，材料内部仍然存在微裂纹萌生扩展。所以第一阶段未发生失效的部位同样累积一定损伤。
41.所述的损伤累计准则是指：miner疲劳损伤线性累计准则。使用线性累计准则满足快速预测的算力要求，同时可以保证预测准确性。
42.所述的伪疲劳寿命是指：假设第二阶段开始时，各部位未发生初始疲劳损伤，从而计算出的材料疲劳寿命。
43.本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：失效模式预定义模块、考虑环境因素影响的材料刚强度性能预测模块、接头结构中各材料最大应变提取模块、处理原始材料ε-n曲线模块以及失效模式判别模块，其中：失效模式预定义模块根据连接结构断裂机理，进行汇总分析，得到理论上所有可能的失效模式；考虑环境因素影响的材料刚强度性能预测模块根据吸湿、红外光谱和材料力学性能的实验数据，构建基于吸水率、化学结构与环境温度的材料参数预测模型，得到不同湿热工况下材料的刚度与强度性能；接头结构中各材料最大应变提取模块根据实际连接件几何与服役受载工况建立数值模型，进行有限元仿真计算，通过对有限元计算结果后处理得到连接中各材料最大应变；处理原始材料ε-n曲线模块依据材料疲劳加载试验数据，通过改进kawai方法在拉-拉与压-压两条s-n曲线构造等寿命曲线图(cld)描述复合材料在拉压、剪切不同应力比状态下的疲劳寿命；失效模式判别模块根据最大应变与材料等寿命曲线，分两步判断混合连接第一阶段与第二阶段的失效类型，实现混合连接受环境影响的疲劳失效类型完整预测。
技术效果
44.本发明通过构建基于吸水率、化学结构与环境温度的混合连接材料参数预测模型用以疲劳仿真；通过改进kawai方法在拉-拉与压-压两条s-n曲线构造等寿命曲线图(cld)描述复合材料在不同应力比状态下的疲劳寿命；将混合连接疲劳失效模式归纳为两个阶段，设计了分阶段的疲劳失效类型判别流程，从而在胶铆混合连接结构疲劳预测过程中考虑湿热老化影响；等寿命曲线精度的提升保证了结构疲劳失效预测准确度；实现了混合连接疲劳失效两阶段过程的完整预测。
附图说明
45.图1为本发明流程图；
46.图2为本发明中预测对象几何形貌图；
47.图3为本发明中预设失效模式示意图；
48.图4a～图4g分别为：复合材料面内拉伸模量、复合材料面内压缩模量、复合材料面内剪切模量、复合材料面内拉伸强度、复合材料面内压缩强度、复合材料面内剪切强度、复合材料层间剪切强度；
49.图5a和图5b分别为为本发明中聚氨酯胶聚氨酯胶模量、聚氨酯胶强度变化图；
50.图6a、图6b、图6c分别为：500～4000波数红外光谱、2800～3000波数红外光谱、3000～3700波数红外光谱；
51.图7a、图7b、图7c为本发明中聚氨酯胶500～4000波数红外光谱、1650～1750波数红外光谱、3100～3400波数红外光谱；
52.图8为本发明中有限元网格划分示意图；
53.图9为本发明中仿真预测应变结果示意图；
54.图10a)为复合材料纵向ε-n曲线，图10b为复合材料剪切ε-n曲线，图10c为胶接材料ε-n曲线，图10d为304不锈钢ε-n曲线，图10e为7075铝合金ε-n曲线；
55.图11为本发明中疲劳竞争机制图；
56.图12a为疲劳类型的第一阶段失效预测，图12b为疲劳类型的第二阶段失效预测；图12为本发明中疲劳类型分区图；
57.图13为本发明中疲劳类型分区图。
具体实施方式
58.如图1所示，本实施例以一种t700碳纤维的12k平纹编织复合材料层合板与7075铝合金板的胶铆混合连接为例进行说明，该连接结构疲劳失效模式预测方法具体包括：
59.步骤一、确定预测对象：
60.1.1)确定待预测接头组成材料为：平纹机织碳纤维复合材料层压板、7075铝合金基材、304不锈钢铆钉和聚氨酯胶粘接层。平纹机织碳纤维复合材料层压板每层厚度0.4mm，共5层，纤维方向一致0
°
。
61.1.2)确定待预测接头结构为：胶铆混合的单搭连接，其结构如图2所示。该结构符合本实施例预测范围，满足完全断裂时的预设失效模式，即在不同的湿热条件和疲劳载荷条件下，共有如图3所示的8种可能出现的失效模式：a1_b1型失效、a1_b2型失效、a2_b1型失
效、a2_b2型失效、b1_a1型失效、b1_a2型失效、b2_a1型失效和b2_a2型失效。
62.步骤二、利用试验数据构建考虑环境因素影响的材料参数预测模型，具体包括：
63.2.1)测试环境影响下复合材料和胶接材料的1)力学性能参数，2)红外光谱信息，3)材料吸湿信息。分别在图4-图7和表1中展示。环境影响下金属材料的力学性能参数入表2所示。
64.表1材料吸湿率
65.表2金属材料力学性能表
66.2.2)基于提出的预测公式：结合上述数据构建不同环境的材料性能预测模型，其中：对于复合材料，k取2，即选择2932cm-1
和3325cm-1
作为预测红外光谱分析的波段。对于聚氨酯胶，k取2，即选择1727cm-1
和3308cm-1
作为预测红外光谱分析的波段。
67.步骤三、依据疲劳加载峰值，运用有限元方法计算接头结构中各材料的最大应变，具体为：
68.3.1)依据真实结构几何信息建立数值模型并划分网格，网格划分情况如图8所示。
69.3.2)在未老化和30％rh、60％rh、90％rh环境老化工况下，分布设置疲劳载荷峰值大小为接头拉伸强度的0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9倍(疲劳载荷峰值与拉伸强度之比用q表示)，将疲劳载荷峰值平均施加于接头端部(x坐标最大的位置)节点，并对这些节
点进行y、z方向的位移约束。对另一端(x坐标最小的位置)节点施加x、y、z方向的位移约束。同时对铆钉与复合材料基板、金属基板之间设置面-面接触。
70.3.3)经过仿真计算提取接头各部分材料的应变信息，如图9所示。图中展示不同环境影响下的仿真过程，证明本方法具备对不同环境影响下混合接头性能预测的能力。经过简单后处理，便可以提取各材料最大应变。
71.步骤四、要对试验获得的原始材料ε-n曲线进行处理，具体为：
72.4.1)不考虑环境因素影响的碳纤维复合材料ε-n曲线如图10所示，此时曲线表达式为受环境影响后ε-n曲线需要退化为n曲线需要退化为其中：需要的强度与刚度信息，已在步骤二中预测得到。
73.4.2)本实施例规定胶与金属材料的ε-n曲线不随环境改变，其曲线如图11所示。其中：胶受环境影响的几种工况下的测试都在图中展示，可以看出本实施例预设的ε-n曲线不随环境改变的准确性。
74.步骤五、判别失效类型，具体为：
75.5.1)预测的特定环境影响下混合连接各组分材料最大应变代入特定环境影响下各组分材料的ε-n曲线，计算出各组分材料的疲劳寿命其中：i＝1,2,
……
5，分别对应复合材料面内、复合材料层间、胶层、金属板和铆钉，其中：最小的(记为n
min
)所对应的材料，即最先发生失效部位，从而判别出第一阶段失效类型。
76.5.2)在不同疲劳加载与环境影响共同作用下，同一个连接可能出现失效形式的变化，即材料的竞争性疲劳行为，当疲劳载荷峰值改变时，计算疲劳载荷峰值与接头静强度之比q，当该值与环境因素变动时，对照预设失效模式图3得到可能出现a1和b2两种第一阶段失效模式，通过将不同环境下q值变化造成a1和b2型失效的q-n曲线绘制成疲劳竞争机制图，如图11所示。提取两种预测失效模式q-n曲线的交点，绘制图12中第一阶段的疲劳类型分区图。在失效的第一阶段，对于相对湿度0％到90％环境条件和疲劳加载从0至接头载荷峰值条件下失效类型实现全面预测。
77.5.3)对于特定工况预测的第一阶段失效模式，回到步骤三并将已失效部位材料对应的数值模型的网格删除，并重新计算最大应变；然后通过损伤累计准则计算并和第二失效阶段疲劳进行叠加，从而实现第二阶段疲劳类型预测，具体为：计算第一阶段累计的损伤量损伤达到100％即认为发生疲劳失效，即第二阶段开始，未断裂部位剩余疲劳寿命百分比为经过删除失效部位材料的网格后，重新计算最大应变，再次依据ε-n曲线获得第二阶段伪疲劳寿命相应得到剩余部分的第二阶段实际断裂寿命为相应得到剩余部分的第二阶段实际断裂寿命为其中：最小的所对应的材料，即第二阶段最先发生失效部位，从而依据步骤一的失效模式预设判别出第二阶段失效类型。
78.结果显示：对于第一阶段失效模式为a1的情况，第二阶段仅可能发生b2失效模式；对于第一阶段失效模式为b2的情况，第二阶段可能发生a1和a2两种失效模式。和对第一阶段预测处理方法相同，可以绘制出第二阶段失效对环境条件与疲劳加载条件变化的疲劳类型分区图，如图12所示。
79.经过具体实际实验验证该方法的有效性，考虑湿热老化的疲劳性能试验包含两步：第一步是获得老化后的混合连接试样。湿热老化试验参照astm d5229/d5229m，在进行连接疲劳性能试验之前，先将试样调整到湿热平衡状态。试件在环境试验箱中经受湿热环境老化。本研究引入三种老化状态：(1)30％rh，70℃，30天；(2)60％rh，70℃，30天；(3)90％rh，70℃，30天。试样老化后，在环境温度下曝露10分钟，再进行疲劳性能试验。第二步是进行疲劳性能测试。对于混合连接接头，参考astm d3166，在室温环境条件下，使用shimadzu疲劳试验机对胶铆混合连接试样进行了拉-拉疲劳试验。循环载荷峰值按照q＝0.2、q＝0.6、q＝0.3设置三个力的水平，加载频率为2hz(循环峰值载荷大于等于5kn)或10hz(循环峰值载荷小于5kn)的正弦波循环载荷下进行。如果达到106次循环时试件未破裂，则疲劳试验终止，这被定义为接头的疲劳极限。试验的结果如图13所示。将试验结果图13与图12的预测结果对比可以发现，对于在30％rh环境下老化的胶铆混合连接，仿真预测的失效模式与试验观察一致：当q＝0.2时，只有铆钉断裂；当q＝0.6时，胶层与铆钉断裂；当q＝0.9时，胶层疲劳开裂后cfrp失效。以上证明了该失效模式预测方法的有效性。
80.与现有技术相比，本发明基于有限元方法，基于先验知识预设失效类别，利用所提出的混合接头内部分组竞争疲劳机制，对材料在特定工况下相对优势进行比较，其结果与预设失效类别进行匹配，从而实现疲劳失效类型的快速预测。基于此技术，实现效果主要有三点：
81.首先，能够在胶铆混合连接结构疲劳预测过程中考虑湿热老化影响。所提出的考虑湿热工况的材料弹性与强度参数预测方法，将材料受环境老化作用引起的吸水率、化学结构变化与材料参数力学参数衰减关联，同时考虑不同温度下材料的性能改变。
82.其次，等寿命曲线精度的提升保证了结构疲劳失效预测准确度。通过改进kawai方法在拉-拉与压-压两条s-n曲线构造等寿命曲线图描述复合材料在不同应力比状态下的疲劳寿命。
83.最后，实现了混合连接疲劳失效两阶段过程的完整预测。将混合连接疲劳失效模式归纳为两个阶段，设计了分阶段的疲劳失效类型判别流程。本发明中执行的有限元计算仅需要依据疲劳峰值载荷对接头经行准静态加载并提取最大应变，经过简单计算后依照预先设置的失效模式表便可以快速识别出疲劳失效模式。
84.由于具备以上优点，本方法相比传统方法，大大简化试验流程，显著缩短试验周期。同时预测仅需较低的计算机算力，普通个人笔记本电脑可以实现快速计算。
85.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，其特征在于，包括：第一步，对复合材料/金属胶铆混合连接预设包括机械连接失效，即a型失效和胶接失效，即b型失效的疲劳失效模式；第二步，构建基于吸水率、化学结构与环境温度的材料参数预测模型，具体为：其中：p(m,t)为材料力学性能参数预测值，j＝1,2,3
…
k；老化项m为吸湿值，k为红外光谱分析得到对老化敏感的官能团个数，a、b、c、λ均为拟合参数，环境温度项t为真实环境温度值，t
m
为室温(取20℃)；α和β表示每种材料对温度项的拟合系数，i表示拟合曲线的阶数；第三步，计算接头结构中各材料的最大应变：将第二步所得材料参数预测模型赋予连接相对应的材料属性后，进行网格划分、位移边界条件设置与接触设置并提取待预测的疲劳循环中载荷峰值，即疲劳加载循环曲线中波峰对应的力值作为力的边界条件；然后通过有限元计算得到包含接头各部分材料的应变场的有限元计算结果文件；再从中提取并记录复合材料面内最大剪应变、复合材料层间最大应变、胶层最大主应变、金属板最大主应变和铆钉最大主应变；第四步，对原始材料ε-n曲线，即疲劳加载最大应变与疲劳循环寿命之间的关系曲线进行处理，以满足对不同环境影响的预测需求：通过改进kawai方法在拉-拉与压-压两条s-n曲线构造等寿命曲线图描述材料在拉压、剪切不同应力比状态下的疲劳寿命；第五步，根据第三步得到的接头结构中各材料的最大应变和第四步得到的等寿命曲线曲判别失效对应第一步中预设具体类型。2.根据权利要求1所述的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，其特征是，所述的疲劳失效模式是指：在不同的湿热环境和疲劳载荷条件的共同作用下，构成混合连接的各材料具有不同的相对竞争优势，导致可能发生多种失效模式，其中：机械连接失效，即a型失效和胶接失效，即b型失效的并存将导致连接完全失效；所述的机械连接失效包括紧固件失效，即a1型失效和基板失效，即a2型失效；所述的胶接失效包括复合材料分层，即b1型失效和粘结层失效，即b2型失效；所述的疲劳失效模式中，当发生任何形式的机械连接失效，混合接头会退化为一个粘结接头，因此在失效过程中a1型失效和a2型失效不能出现在一个接头上；同样，在破坏过程中，b1型失效和b2型失效不能同时出现；由于各种材料在不同条件下竞争优势的不同，其失效模式的顺序也会发生变化；因此，对于相同的混合连接，在不同的湿热条件和疲劳载荷条件下，失效模式具体包括：a1_b1型失效、a1_b2型失效、a2_b1型失效、a2_b2型失效、b1_a1型失效、b1_a2型失效、b2_a1型失效和b2_a2型失效，其中：“_”表示失效类型出现的前后顺序，即第一阶段和第二阶段；预设失效模式已包含该类型连接所有失效可能；所述的疲劳失效模式是指：连接结构经疲劳加载后完全断开，或者达到疲劳极限部分破坏的具体形式；所述的失效模式的顺序是指：混合连接由于分为胶接和铆接两个子部分，其中：一部分
失效不引起结构断开；这意味着胶铆混合连接结构完全失效伴随胶接和铆接的全部失效，必然存在失效顺序；其中：在失效中a1和a2不能共存，b1和b2也不能共存。3.根据权利要求1所述的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，其特征是，所述的材料参数是指：有限元计算所使用的材料弹性模量、泊松比以及强度；所述的官能团光谱吸收强度是指：利用红外光谱仪对老化后高子材料进行分析得到光谱图，其中：官能团对应的吸收峰值大小；所述的对老化敏感的官能团，指在老化后光谱吸收峰值变化明显的官能团；建议根据实际情况选取变化最明显的2个官能团作为变量。4.根据权利要求1所述的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，其特征是，所述的网格划分是指：依据真实结构几何信息建立数值模型并划分网格；所述的位移边界条件设置是指：依据实际外界位移约束情况，对连接件进行位移约束设置；所述的接触设置是指：紧固件与基板之间的接触，设置为刚性接触类型。5.根据权利要求1所述的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，其特征是，所述的第四步，具体包括：4.1)借助kawai模型，使用r＝0.1的s-n曲线数据预测r＝χ的疲劳寿命，进而利用r＝χ分隔线构造右半边的cld；4.2)将使用拉-拉疲劳预测r＝χ的疲劳寿命，借助kawai模型建立r＝χ分隔线构造左半边的cld；此时由于kawai模型是通过拉-拉疲劳试验构造的，因此压-压疲劳预测结果与试验存在显著差异；4.3)通过拉-拉疲劳预测r＝χ的疲劳寿命与压缩强度点构建r＝χ分隔线改进左半边的线性cld；将第4.2中构造的kawai模型cld与线性cld进行比例组合，形成左半边cld；4.4)基于r＝χ分隔线左右cld均已获得，材料完整cld构建完毕，得到改进的kawai模型为：其中：复合材料受环境因素影响较大，原始曲线表达式为的情况下，受环境影响后ε-n曲线需要退化为n曲线需要退化为指不考虑环境影响时复合材料疲劳断裂对应的加载循环次数；指不考虑环境影响时复合材料疲劳加载峰值对应的最大应变量；指考虑环境影响时复合材料疲劳断裂对应的加载循环次数；指考虑环境影响时复合材料疲劳加载峰值对应的最大应变量；s
unaged
和e
unaged
分别指未受环境影响的强度和模量；s
aged
和e
aged
分别指受环境影响的强度和模量，由上述预测方程p(m,t)预测得到；胶层同样容易受环境因素影响，但是其刚度与强度往往等比例变化，导致其ε-n曲线几乎不受环境影响，故对胶层使用原始的ε-n曲线；金属基板与铆钉是金属材料，在本发明涉及的环境变化范围内不发生疲劳性能的明显改变，故对金属材料使用原始的ε-n曲线。6.根据权利要求1所述的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，
其特征是，所述的第五步，具体包括：5.1)将预测的特定环境影响下混合连接各组分材料最大应变代入特定环境影响下各组分材料的ε-n曲线，计算出各组分材料的疲劳寿命其中：i＝1,2,
……
5，分别对应复合材料面内、复合材料层间、胶层、金属板和铆钉，最小的即n
min
所对应的材料为最先发生失效部位，从而判别出第一阶段失效类型；5.2)考虑到接头中不同材料在不同疲劳加载和环境因素影响存在疲劳竞争优势的差异，在对同一个接头改变环境条件预测时可能预测出不同失效类型，按不同失效类型对应部位的q-n曲线绘制疲劳竞争机制图，通过提取在不同环境下q-n曲线的交点绘制疲劳类型分区图；通过该图判断出不同疲劳加载和环境因素对第一阶段失效类型的影响规律；5.3)考虑到失效顺序的问题，失效第一阶段发生后结构还未完全断开，回到步骤三并将已失效部位材料对应的数值模型的网格删除，胶铆混合连接结构退化成单纯的胶接或者铆接形式并重新计算最大应变；考虑到在失效第一阶段，各部分承受循环载荷已经出现部分疲劳损伤，这部分损伤需要通过损伤累计准则计算并和第二失效阶段疲劳进行叠加，从而实现第二阶段疲劳类型预测，具体为：判断第一阶段累计的损伤量当损伤达到100％即认为发生疲劳失效，即第二阶段开始，未断裂部位剩余疲劳寿命百分比为经过网格删除后，重新计算最大应变，从而再次依据ε-n曲线获得第二阶段伪疲劳寿命进一步得到剩余部分第二阶段实际断裂寿命为其中：最小的所对应的材料，即第二阶段最先发生失效部位，从而依据步骤一的失效模式预设判别出第二阶段失效类型；5.4)同样第二阶段失效类型也受材料疲劳竞争机制的影响，按不同失效类型对应部位的q-n曲线绘制疲劳竞争机制图；在第一阶段的疲劳类型分区图基础上，提取在不同环境下q-n曲线的交点绘制第二阶段疲劳类型分区图，通过该图判断出不同疲劳加载和环境因素对第二阶段失效类型的影响规律；从而实现混合连接受环境影响的疲劳失效类型预测。7.根据权利要求6所述的复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，其特征是，所述的疲劳损伤是指：在疲劳加载过程中，即使未发生断裂，材料内部仍然存在微裂纹萌生扩展，所以第一阶段未发生失效的部位同样累积一定损伤；所述的损伤累计准则是指：miner疲劳损伤线性累计准则；使用线性累计准则满足快速预测的算力要求，同时保证预测准确性；所述的伪疲劳寿命是指：假设第二阶段开始时，各部位未发生初始疲劳损伤，从而计算出的材料疲劳寿命。8.一种实现权利要求1-7中任一所述复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法的系统，其特征在于，包括：失效模式预定义模块、考虑环境因素影响的材料刚强度性能预测模块、接头结构中各材料最大应变提取模块、处理原始材料ε-n曲线模块以及失效模式判别模块，其中：失效模式预定义模块根据连接结构断裂机理，进行汇总分析，得到理论上所有可能的失效模式；考虑环境因素影响的材料刚强度性能预测模块根据吸湿、红外光谱和材料力学性能的实验数据，构建基于吸水率、化学结构与环境温度的材料参数预测模型，得到不同湿热工况下材料的刚度与强度性能；接头结构中各材料最大应变提取模
块根据实际连接件几何与服役受载工况建立数值模型，进行有限元仿真计算，通过对有限元计算结果后处理得到连接中各材料最大应变；处理原始材料ε-n曲线模块依据材料疲劳加载试验数据，通过改进kawai方法在拉-拉与压-压两条s-n曲线构造等寿命曲线图描述复合材料在拉压、剪切不同应力比状态下的疲劳寿命；失效模式判别模块根据最大应变与材料等寿命曲线，分两步判断混合连接第一阶段与第二阶段的失效类型，实现混合连接受环境影响的疲劳失效类型完整预测。

技术总结
一种复合材料与金属胶铆混合连接结构疲劳失效模式预测方法，通过对复合材料/金属胶铆混合连接预设包括机械连接失效并构建基于吸水率、化学结构与环境温度的材料参数预测模型后，计算接头结构中各材料的最大应变，对原始材料ε-N曲线，即疲劳加载最大应变与疲劳循环寿命之间的关系曲线进行处理，以满足对不同环境影响的预测需求，再根据接头结构中各材料的最大应变和等寿命曲线曲判别失效对应预设具体类型。本发明简化试验流程的同时显著缩短试验周期，基于普通个人笔记本电脑可以实现快速计算。速计算。速计算。


技术研发人员：朱平 张涵寓 刘钊 张磊 宋周洲
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.10.31
技术公布日：2023/8/1