用于计算结构的疲劳以及疲劳破坏的方法技术

本申请提供一种用于计算结构的疲劳以及疲劳破坏的方法。本发明专利技术涉及用于虚拟地预测结构的耐久性性能从而能够优化该耐久性性能的方法。在第一步骤，通过一系列计算点对该结构进行建模。然后针对每个点确定由载荷循环所引起的应力及应变。然后，预测并存储由于载荷循环而引起的累积损伤。为了预测，首先使用滞后算子作为载荷随时间变化的函数计算应力沿着滞后分支的一部分的变化，其次使用应力的变化以及所存储的累积损伤，计算损伤的变化。然后基于这些属性的变化来计算应力及应变的进一步的变化，以确定新的适合的滞后分支。然后，作为载荷随时间进一步变化的函数计算应力沿着适合的滞后分支的另外的部分的进一步的变化。最后相应地制造该结构。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本申请提供一种。本专利技术涉及用于虚拟地预测结构的耐久性性能从而能够优化该耐久性性能的方法。在第一步骤，通过一系列计算点对该结构进行建模。然后针对每个点确定由载荷循环所引起的应力及应变。然后，预测并存储由于载荷循环而引起的累积损伤。为了预测，首先使用滞后算子作为载荷随时间变化的函数计算应力沿着滞后分支的一部分的变化，其次使用应力的变化以及所存储的累积损伤，计算损伤的变化。然后基于这些属性的变化来计算应力及应变的进一步的变化，以确定新的适合的滞后分支。然后，作为载荷随时间进一步变化的函数计算应力沿着适合的滞后分支的另外的部分的进一步的变化。最后相应地制造该结构。【专利说明】
本专利技术涉及预测结构的耐久性性能以及疲劳特性的领域。
技术介绍
由于轻质材料允许使用较少的生态足迹来提供具有优越机械属性的产品，交通 运输、风能及机械行业的制造商越来越多地使用轻质材料。尤其是在交通运输（汽车、航 空……）中，大量采用轻质设计材料（例如复合材料）将会是满足日益严格的二氧化碳排 放标准的唯一可行的路径。然而目前，在工业设计及开发过程中大规模使用轻质材料受限 于缺乏预测性的建模工具来预测轻质材料结构的宏观特性。如果可以基于虚拟模型做出较 好的机械预测，则可以基于虚拟模拟（而不是基于最新的且昂贵的物理测试）来优化产品。 复合材料通常可以承受多个载荷循环（即，具有好的疲劳特性）。但是，甚至改变 部件的刚度的第一破坏性事件发生地相当早并且发生在相当小的载荷循环下。对于产品设 计工程师来说，这意味着他们不能设计出具有"完全不会发生疲劳破坏"的要求的产品，因 为这将导致典型的结构的超裕度设计。反之，工程师希望能够预测整个生命周期的疲劳特 性-包括刚度的变化，以及不同的破坏机制的交叉影响。通过在产品设计确定方法中使用 对疲劳特性的更好的理解，将可以实现更好、更轻且更经济的设计。 例如，在汽车应用中，对疲劳载荷的分解和合成在过去的几十年中已大大地改进。 针对当前由金属制造的汽车，正在使用成熟的虚拟设计优化方法，这使得汽车制造商能够 按需定制他们的汽车以足以满足实际使用，并且能够量身打造他们的汽车以满足不同的市 场的要求，同时确保避免超裕度设计。这涉及针对不同的道路施加完全可变的载荷的复杂 的载荷安排。反之，对于复合材料来说，还没有成熟的工具来实际预测产品性能。这意味着 在设计过程的较后阶段需要昂贵的物理测试方法来检查/确认复合材料设计是否满足要 求。 要解决的问题是适当引进新的虚拟方法以预测复合材料结构的耐久性并且将该 新的方法包括在可以用于预测并优化机械结构的耐久性性能的数值设备或工具集中。创新 方法以及相关工具集的实用性将使企业能够改进他们用于其轻质产品的设计方法，以较低 的成本实现较好的产品质量。此成功的方法的必备要素是： ?在模型中记入累进损伤的能力，S卩，预测复合材料中的损伤随时间的演化并且在 模拟模型中记录实际损伤状态的能力。 ?考虑到实际损伤时，预测每个时刻的损伤累积（必须预测朝向下一个步骤的损 伤演化）的能力。这需要预测模型中的每个点处的损伤的增加（dD/dN)的所谓的"滞后算 子"方法。 ?记入可变的循环载荷的影响的能力。这样的时变载荷是在运行（例如，在汽车或 航天结构或者风力涡轮机中）经历中的结构，所以必须将时变载荷设计成能承受此运行经 历。可变幅值载荷经常由作为块载荷的简化的信号来代替，这是由于简化的信号简化了所 建立的模拟和测试。但是如果在设计过程中只使用块载荷（即，随着时间的推移恒定的载 荷），则这不足以确保结构在其生命周期期间可以承受实际的负载。此外，在这些情况中，将 与轻质设计的范例相矛盾的大的安全因素增加至设计中。因此，疲劳的模拟不得不也记入 可变循环载荷的影响。 有限元（FE)分析（FEA)是众所周知的用于对机械结构进行建模的数值技术。模 型包括多个小且简单的"元"。每个这样的元定义相当简单的机械问题，例如其中以许多集 成或计算点的形式计算机械方程的板状结构。在建立数值FEA模型之后，可以建立包括彼 此相关的大量的简单的"元"问题的完整结构的矩阵方程。解此方程使得能够基于许多小 的元问题的解决方案来近似结构的机械特性。要说明的是，本技术的状态是基于对机械FE 模型的疲劳预测。FEA的典型结果是基于结构的FE模型机械预测结构中的应力及应变。 已知的一个技术是使用SN曲线以及线性损伤累积用于金属结构的疲劳预测。SN 曲线将在发生疲劳破坏之前（即材料损坏之前）施加至材料的应力或载荷循环的幅值表示 成循环量的函数。填入SN曲线的数据通常通过测试获得，S卩，从材料的简单的标准化样本 中获得（即，所谓的"样本测试"）。针对所选择的载荷方向（例如，纵向载荷或横向载荷） 得出SN曲线。使用雨流计数方法，可以将复杂的载荷循环分成一组具有不同幅值的简单的 载荷循环。使用这些幅值，可以然后根据SN曲线得出破坏之前的循环数目。 因此，使用SN曲线预测破坏可以处理可变幅值载荷，但是不能将多轴的情况考虑 其中。另外的缺点是，不可以考虑累进损伤的影响，以及因此不可以考虑结构中的刚度的减 小和应力的重新分布。这意味着基于雨流的方法只可以解决其中在应力与应变之间存在固 定关系的情况下的应力-应变特性及损伤累积，并且相同的应力-应变总是产生相同的损 伤。 因此，针对复合材料结构使用SN曲线非常受限。对于可变幅值载荷来说非常典型 的是，完成最大载荷循环（其对破坏作出最大贡献）耗费相当长的时间，这是由于其内部存 在许多嵌套循环。在这种情况下，当载荷循环（如在雨流方法中）那样被完成时，只考虑循 环的方法可能不再是合理的。 传统的疲劳损伤累积使用雨流计数以及线性迈因纳-帕姆格林 (Miner-Palmgren)损伤累积。在复合材料的情况下，由于损伤影响被连接至应力-应变滞 后回线或分支，所以疲劳特性由于若干不同的破坏机制而随时间变化。这些回线通常彼此 嵌套，以使得在一个大的回线闭合之前可以存在在其中打开并闭合的许多小的回线。所以 非常典型的是，完成最大载荷循环（其对破坏作出最大贡献）耗费相当长的时间，这是由于 其内部存在许多嵌套循环。在这种情况下，当载荷循环如在雨流方法中那样被完成时，只考 虑循环的方法可能不再是合理的。 在''Brokate, M ;Dressler, K ;Krejci, P: Rainflow counting and energy dissipation in elastoplasticity, Eur. J. Mech. A/Solidsl5, · 705-737 (1996) " 中提出了 用于损伤累积的方法，该方法可以考虑由于外部变化（例如，温度）所造成的疲劳及材料特 性的变化。该方法使用两个滞后算子一一个用于应力-应变特性并且一个用于损伤特性。 使用这些具有固定的应力-应变特性的算子以及基于SN曲线的损伤演化，将导致如之前提 及的雨流方法及基于SN曲线的方法那样的相同的特性。 在 "Nagode, M. &Hack, M.，The damage operator approach, creep fatig本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于虚拟地预测结构的耐久性性能从而能够优化所述耐久性性能的方法，其中，通过一系列计算点来对所述结构进行建模，其中，针对每个计算点，‑确定(3)由载荷循环(2)所引起的应力及应变(4)，所述应力及应变(4)限定滞后分支，以及‑预测(5)(6)并存储(8)由于所述载荷循环而引起的累积损伤，以及‑使用滞后算子(5)，作为所述载荷随时间变化的函数计算所述应力(7)沿着滞后分支的一部分的变化，以及‑使用所述应力(7)的所述变化以及所存储的所述累积损伤，计算(6)所述损伤的变化，并且因此，还计算所述结构的属性(14)在所述计算点处的变化，所述属性(14)包括刚度，以及‑基于所述属性(14)的所述变化来计算(15)所述应力及应变(16)的进一步的变化，以确定新的适合的滞后分支，以及‑作为所述载荷随时间进一步变化的函数，计算(5)所述应力(7)沿着所述适合的滞后分支的另外的部分的进一步的变化，以及‑在方法的最后，相应地制造所述结构。其中，所述结构由下述材料制成：当经受所述载荷循环时，由于疲劳破坏，在损坏之前累积损伤的材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·布吕内尔，斯泰恩·东德斯，迈克尔·哈克，克里斯托夫·利富格，彼得·努恩，斯特凡·施特雷塞尔，
申请(专利权)人：LMS国际公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL