1、复合材料疲劳分析概述

　　复合材料具有比金属好得多的疲劳性能。金属中疲劳损伤的扩展往往比较迅速，破坏非常突然；而复合材料从产生疲劳损伤到发生疲劳破坏往往要经历一段相对较长的损伤积累过程；金属对缺口、开孔等应力集中比较敏感，而复合材料则要迟钝得多，如下图。因此，复合材料的疲劳分析方法完全不同于金属疲劳分析。

　　2、长纤维复合材料疲劳分析

　　西门子提供复合材料结构设计和分析的完整解决方案：包括复合材料的静强度，渐进损伤、疲劳耐久，以及碰撞冲击分析等。对于复合材料疲劳分析，西门子开发了自己独特的方法兼顾复合材料疲劳求解精度和效率，并提供短纤维和长纤维复合材料疲劳求解功能。

　　长纤维复合材料是通过不同的方法如电缆包覆、在线挤出等方法，和PP、PA、PET等树脂复合，用长纤维替代原来的短纤维，得到复合材料粒料或板材。纤维长度一般在2mm以上，甚至达到10mm，因此长纤维复合材料相比短纤维复合材料有更好的疲劳性能，而且抗冲击、抗蠕变性更好，抗热性能也更优异。其疲劳计算理论与短纤维复合材料有本质的区别。

　　长纤维复合材料因其特殊性，载荷加载过程造成的刚度衰减更加复杂。为完整考虑复杂载荷作用下真实损伤过程。西门子复合材料疲劳模块采用Van Paepegem和Degrieck针对不同载荷形式提出了一种剩余刚度退化模型。采用先进非线性有限元求解器计算刚度退化过程中的应力重分布。为解决实际工程中模型规模问题，西门子开发了滞回算子方法的周期跳变算法（已获欧洲专利）等，从而兼顾了计算的精度和效率。

　　由于本文主要介绍长纤维复合材料仿真特点，因此无特殊说明后文中所提到的复合材料均指长纤维复合材料。简单介绍长纤维复合材料分析流程如下：

　　（1）材料试验

　　除基本的复合材料参数外，耐久性分析过程中重要的一项试验曲线是刚度衰减曲线，通常对比金属材料而言，复合材料由于纤维的存在并不会在出现初始裂纹的初期就会发生刚度失效，而是逐渐损失刚度直到不满足刚度要求为止。

　　由于复合材料特性参数同时受微观和宏观特性影响，因此其刚度衰减试验比常规疲劳材料试验要复杂一些，需要针对不同的材料和铺层进行一组三点弯曲耐久性试验，识别出15个参数，然后导入软件材料属性中。虽然过程并不复杂，但由于工业应用中复合材料种类繁多并无定制，且无通用数据库参考，因此难点在于企业需要基于自身材料类型进行大量基础试验建立复合材料耐久材料库。这方面西门子专家丰富的经验知识可以提供很大支持。

　　复合材料刚度衰减试验

　　（2）应力计算

　　应力计算是刚度更新重要的一步。与传统SN方法一样，应力的分布会直接决定损伤的大小。但不同的是，SN方法应力仅需计算一次，整个耐久过程刚度几乎不变，而复合材料耐久历程中刚度是不断衰减的。因此理论上讲每一次循环造成一定损伤后就需要重新更新刚度，再次计算应力分布，为下一次循环做准备。值得庆幸的是刚度的更新过程是完全自动化的，应力计算过程仅需配置一次即可。西门子Simcenter提供完整的复合材料强度、耐久完整解决方案，统一的环境可覆盖整个计算过程。

　　（3）载荷预测

　　实际上尤其对汽车和航空行业，复合材料结构件和金属结构件一样，所受的载荷很少有完全规律的周期性变化，大多数情况是近似随机的。考虑真实载荷环境可以有效减少结构的过设计，降低冗余质量，这也是复合材料应用的重要意义。在西门子复合材料计算方法中可以充分考虑变载荷下的刚度衰减，因此传统汽车耐久性开发的理论和流程仍可以应用到复合材料耐久性的开发过程。

　　（4）周期跳变和滞回算子

　　复杂的载荷环境必然造成刚度更新的计算量急速增加。为此在复合材料疲劳分析过程中，Simcenter 3D疲劳求解器会根据刚度衰减程度（基于刚度衰减曲线）判断是进行应力修正还是重新调用后台非线性有限元求解器进行新一轮的应力求解。整个应力修正和重新提交过程嵌入疲劳分析流程中。这里面的专利技术包括：

　　经过验证的周期跳变算法：提高效率

　　测试及计算对象为板层结构

　　允许层间的优化

　　对于变幅载荷不需要重新试验

　　考虑刚度衰减及应力重分布

　　经过验证的滞回算子方法：提高精度

　　可以考虑刚度损失，又可以考虑疲劳强度损失的唯一高效方法。具有与SN曲线法基本相同的高效率。

　　经过验证的专利的周期跳变算法，可兼顾精度和效率，可考虑长纤维/短纤维的复合材料渐进损伤过程，适合工程应用。

　　（5）疲劳损伤计算

　　疲劳求解器采用时域非线性损伤累积方法进行疲劳损伤寿命预测。可考虑刚度衰减，可考虑预损伤的影响。这是一个真正可以考虑真实工况载荷和耐久性的仿真方法。以下是某主机厂做的一个仿真和和试验的对标。

　　A. 强度分析

　　从确定的材料参数开始，Simcenter3D即可进行结构强度分析，下图展示的是复合材料在挤压环境下强度分析结果（上）与试验结果的对比（下）

　　B. 应力重构

　　在耐久性计算过程中不断更新刚度和应力重构。计算结果如下图所示：

　　C. 刚度损失曲线

　　分别采用试验的方式做了多组刚度测试试验，采用了西门子提供的参数辨识方法拟合的刚度衰减曲线与试验做了对比，结果贴合的比较好。

　　3、总结

　　西门子致力于复合材料耐久性开发和技术转让，使客户单独使用预测模型来设计更轻和更强的结构。通过在一个虚拟环境使用最少的材料试验建立预测模型,充分挖掘复合材料的巨大潜力，减少物理测试。

　　作为仿真平台，Simcenter 3D可以覆盖复合材料产品的设计、制造、强度、耐久、振动噪声仿真等各个方面，其中复合材料疲劳模块特点如下：

　　预测疲劳失效发生的循环数，可针对编织物，单向复合层，或者NCF，玻璃纤维或碳纤维加强复合材料

　　预测复合材料结构在整个疲劳寿命期间刚度变化和应力重分布

　　支持固定的，变化的（块载荷）和随机载荷幅值，包括单轴和多轴（非比例）载荷，更适用于工程场景。

　　有能力进行高效的板层优化，对于利用复合材料全部潜能做设计，

　　使用更少的测量数据考虑部件的全寿命，充分利用复合材料好的疲劳行为，允许预测严重破坏。

　　避免过设计，最大程度减重。