工程化的复合材料疲劳仿真方法
材料也会累？什么是材料的疲劳？所谓材料的疲劳，指的是在长期服役情况下，材料持续经受循环载荷，以致性能下降甚至失效破坏的情况。工业界经常讲疲劳寿命，就是说结构疲劳工况的使用寿命。我们在设计汽车、飞机、舰船时，疲劳寿命的设计非常重要的一环，也是安全设计的必要内容。通常来说，这种重大装备的设计寿命也就20年左右。爱惜点使用，少经历一些大风大浪，可以苟到30年，和原始人类的寿命差不多。自然造物也不过如此了。人会疲劳，材料为什么也会疲劳？断裂力学给出的解释是，材料内部存在细小裂纹，随着材料持续承受变化的载荷，裂纹慢慢生长变大甚至和其他裂纹连成一片，最终导致了结构的破坏。就像我们反复弯折一根铁丝，很快就能将它折断一样。材料内部裂纹从哲学的角度，一个人反复折腾，即便身体不累，心也累了。所谓积劳成疾，万事万物该是如此。要想活得久，就不要老是上蹿下跳，更不能过度健身。疲劳研究的发展对于疲劳研究的起源，一种说法是，二战时为了尽快解决德日海上力量，（当时）第一工业强国—美国，下饺子般开足马力造了一堆舰船。有时候数量就是质量，至少一时如此。二战结束后，刀枪入库马放南山。不少舰船退役作为民船继续使用。然而很快，这批大干快上的船只发生了很多沉没事故。经过调查，这些船只建造时，为了加快进度使用了当时还不够成熟的焊接工艺。焊接质量导致这些部位极易产生裂纹，导致了灾难后果。由此，疲劳问题的研究引起了重视。实际上前两次工业革命时代，就有研究表明火车铁轨存在疲劳寿命的问题。结构疲劳失效之所以可怕在于两点：（1）快速性。一旦开始失效，失效会迅速扩散，来不及处置；（2）突然性。往往是远低于结构静强度情况下失效，难以提前防备。金属的疲劳寿命研究已经较为成熟了，有大量的数据库和工程预测手段。并且很多的工艺和检测手段可以有效对结构疲劳进行管控，并诞生了“结构健康监测”这样一个方向。像体检那样，通过CT、超声波等技术，定期对结构内部的裂纹进行排查。图片来源：http://www.qctester.com/一代材料，一代装备，现在已经进入了复合材料的时代。复合材料层合板是一层一层贴在一起的，并且树脂和纤维之间不可避免的存在孔隙，这简直是裂纹产生的温床。由于复合材料这种特点，其疲劳问题更为复杂，试验结果的分散性也更高，更遑论仿真手段了。但是仿真仍然重要，它可以表征趋势，反映变化。另外很多结构，由于工况的特殊性以及自身结构复杂性，疲劳试验是很难开展的，即便能搞也需要极高的成本。工程化的复合材料疲劳仿真方法航空航天的科研院所专业是分的很细的，搞强度和结构设计可以是两个部门，强度下面可以分出静强度、动强度、振动、疲劳等等一堆科室，每个科室还有一堆人。我是一直搞航空的，导致我以前总是认为其他行业也是如此。后来外面接触多了才知道，很多行业和公司，是养不起专门的结构强度部门的。往往结构强度方向就是一个人，这个人他要会做结构设计，做各种仿真分析，还要懂试验。哪天感觉来了，还要去陪客户。这种情况下，是很难面面俱到的。尤其疲劳的仿真还需要编写自定义本构程序，如果研究生阶段不是研究这个的，一时是难以搞出来的。前段时间我审了一篇做疲劳的论文。整个论文两个工作，一个试验、一个仿真。试验也没有做具体结构的疲劳试验，而是基础材料的疲劳试验。仿真竟然一段话带过，说使用了专门的疲劳分析软件，然后就直接给结果。还是那句话，糊里糊涂用软件，糊里糊涂看结果，这种工作没有意义。我们本期就以复合材料层合板接头的疲劳为例，基于ABAQUSUMAT，给出工程化的疲劳仿真方法。之所以是工程化，一是做了简化，二是便于实现。力学的精髓，就在于简化，简化也是为了实现。1思路首先我们应当知道，疲劳的关键参数有：（1）应力幅值；（2）强度值；（3）单向板疲劳寿命S-N曲线。应力幅值越大，寿命越短，这是必然的。第三条有最好，没有的话我们可以根据前两个参数，然后用幂函数+大好人公式（著名的GoodMan公式）估算出一个S-N曲线。如果有条件试验，可以用如下模型拟合：其次我们要搞清楚，从仿真的角度，如何体现结构持续受力，性能慢慢下降呢？这不就是要给一个材料参数随着时间折减的公式嘛。材料性能慢慢下降，迟早会破坏，所以再加个失效判据准则，这里用Hashin准则（当然还可以加上判断分层的）：判断失效后，对单元性能做个大幅度折减就行。也就是说存在两个折减，一是随时间变化的折减，二是失效后的折减。把这个思路嵌入到UMAT中即可。2模型接头模型如下，圆孔处的连接件设置为刚体，结构受单向拉伸载荷。3结果我们定义一个自变量表征所有失效类型，失效单元标记为红色。80%静强度失效扩展情况如下：疲劳次数从1e4.4983增加到1e4.5250后，失效区域迅速扩展到多层，以加速扩展前的疲劳循环次数1e4.4983作为疲劳寿命。当然可以采用其他量化的判据，比如失效单元占比。4如何模拟结构的疲劳失效S-N曲线为了模拟结构的疲劳失效S-N曲线，我们要先做静强度仿真，得到结构强度载荷。然后按照静强度的比例，取三到四个点分别进行疲劳仿真，基本可以给出S-N曲线了。来源：静界有限元
