柔性太陽(yáng)能電池器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞分析

該課題以柔性電子太陽(yáng)能電池的彈性基底為研究對(duì)象，主要探討在保持器件整體功能性的前提下基底的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高器件的延展性和柔韌性。為此，我們分別從模擬和實(shí)驗(yàn)開展相關(guān)研究工作。通過(guò)有限元模擬計(jì)算與分析，我們發(fā)現(xiàn)在所提出的襯底-立柱-島體的基底優(yōu)化設(shè)計(jì)中，中間立柱的寬度對(duì)變形隔離效應(yīng)有非常重要的影響，立柱-島體整體的高度對(duì)變形隔離效應(yīng)有影響。此外，對(duì)于界面的損傷累積與破壞理論模型已經(jīng)建立，數(shù)值模擬工作還在進(jìn)行當(dāng)中。在實(shí)驗(yàn)方面，我們已經(jīng)成功制備出這種三層復(fù)合結(jié)構(gòu)基底，目前正在研發(fā)基于這種優(yōu)化基底的電子設(shè)備，如柔性LED顯示器、柔性傳感器等。 2100433B

基底加島體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)使得柔性太陽(yáng)能電池器件具有良好的延展性。然而該設(shè)計(jì)在變形隔離上有特殊的島體高度選擇性，而且基體變形通過(guò)泊松效應(yīng)對(duì)電池模塊產(chǎn)生彎曲變形。保護(hù)膜的平板設(shè)計(jì)使得其厚度必須在抑制電池模塊的彎曲變形（增加厚度）和降低界面剪應(yīng)力（減小厚度）之間作出兩難選擇。這些設(shè)計(jì)中的不足不僅限制柔性太陽(yáng)能電池器件的延展性，界面剪應(yīng)力的存在也對(duì)電池器件的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，本項(xiàng)目提出基底、島體和連接二者柱體的優(yōu)化基體結(jié)構(gòu)化，并對(duì)保護(hù)膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，減小粘接面積，結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最佳變形隔離效應(yīng)的整體設(shè)計(jì)方案。同時(shí)建立界面強(qiáng)度的疲勞損傷理論模型，通過(guò)有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)研究電池器件的疲勞性能。本項(xiàng)目的研究成果將充分增加柔性太陽(yáng)能器件的延展性，顯著提高其疲勞壽命。該研究不僅具有重要的科學(xué)意義，而且有助于加速促進(jìn)柔性太陽(yáng)能電池器件的實(shí)際研發(fā)和應(yīng)用。

在疲勞研究過(guò)程中，人們?cè)缇吞岢隽恕皳p傷”這一概念。所謂損傷，是指在疲勞過(guò)程中初期材料內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化和后期裂紋的形成和擴(kuò)展。累積損傷規(guī)律是疲勞研究中最重要的課題之一，它是估算變幅載荷作用下結(jié)構(gòu)和零件疲勞壽命的基礎(chǔ)。

大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件所受循環(huán)載荷的幅值都是變化的，也就是說(shuō)，大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件都是在變幅載荷下工作的。變幅載荷下的疲勞破壞，是不同頻率和幅值的載荷所造成的損傷逐漸累積的結(jié)果。因此，疲勞累積損傷是有限壽命設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。

疲勞破壞是結(jié)構(gòu)的主要失效形式，因此結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命是結(jié)構(gòu)性能研究的主要內(nèi)容之一。《結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析》系統(tǒng)闡述了結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析的基本原理、方法和過(guò)程。主要包括金屬材料的疲勞性能、疲勞載荷譜、影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的主要因素、疲勞累積損傷理論、估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)法、多軸疲勞、振動(dòng)疲勞等內(nèi)容。《結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析》的特點(diǎn)是圍繞結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算，系統(tǒng)地介紹了所需的材料性能、估算原理、估算方法和估算步驟，并給出了豐富的算例和工程實(shí)例。

第1章 緒論 1

1.1 疲勞 1

1.1.1 疲勞定義 1

1.1.2 疲勞的分類 1

1.2 疲勞壽命 2

1.2.1 按損傷發(fā)展定義的疲勞壽命 2

1.2.2 由設(shè)計(jì)準(zhǔn)則定義的疲勞壽命 4

1.2.3 從使用角度定義的疲勞壽命 4

1.3 疲勞壽命分析發(fā)展簡(jiǎn)史 4

1.4 疲勞研究方法 7

1.4.1 疲勞研究的三個(gè)尺度 7

1.4.2 疲勞機(jī)制 7

1.4.3 經(jīng)驗(yàn)方法 12

1.4.4 斷裂力學(xué)方法 13

1.4.5 討論 14

1.5 確定疲勞壽命的方法 15

第2章 金屬材料的疲勞性能 18

2.1 金屬材料的拉伸特性 18

2.2 金屬材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性 20

2.2.1 循環(huán)硬化和循環(huán)軟化 21

2.2.2 循環(huán)蠕變和循環(huán)松弛 23

2.2.3 Bauschinger效應(yīng) 23

2.2.4 Masing特性 24

2.2.5 穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 25

2.2.6 記憶特性與可用性系數(shù) 27

2.2.7 瞬態(tài)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 29

2.3 金屬材料的S-N曲線 32

2.3.1 S-N曲線 32

2.3.2 S-N曲線的擬合 35

2.3.3 等壽命曲線 42

2.3.4 疲勞極限 44

2.3.5 獲得疲勞極限的試驗(yàn)方法 52

2.3.6 疲勞極限圖 53

2.3.7 p-S-N曲線 54

2.4 應(yīng)變-壽命曲線 57

2.4.1 Δε-N曲線 58

2.4.2 εeq-N曲線 62

第3章 疲勞載荷譜 65

3.1 疲勞載荷譜的種類 66

3.1.1 常幅譜 66

3.1.2 塊譜 66

3.1.3 隨機(jī)譜 67

3.2 雨流法 69

3.3 機(jī)動(dòng)類飛機(jī)的載荷譜 72

3.3.1 任務(wù)剖面 72

3.3.2 載荷譜組成 73

3.4 運(yùn)輸類飛機(jī)載荷譜 80

3.4.1 突風(fēng)載荷 80

3.4.2 機(jī)動(dòng)載荷 80

3.4.3 地面載荷 82

3.4.4 地-空-地循環(huán) 86

3.5 試驗(yàn)譜編制 86

3.5.1 高載截除 87

3.5.2 低載刪除 87

3.5.3 載荷譜的等效 98

3.5.4 飛-續(xù)-飛試驗(yàn)譜的編制 99

3.5.5 嚴(yán)重譜 101

第4章 影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的主要因素 107

4.1 應(yīng)力集中的影響 108

4.1.1 平均應(yīng)力模型 109

4.1.2 場(chǎng)強(qiáng)法模型 113

4.1.3 斷裂力學(xué)模型 115

4.1.4 小結(jié) 117

4.1.5 算例 120

4.1.6 實(shí)例 123

4.2 尺寸的影響 128

4.2.1 均勻應(yīng)力場(chǎng)的尺寸系數(shù) 128

4.2.2 非均勻應(yīng)力場(chǎng)的尺寸系數(shù) 131

4.3 表面狀態(tài)的影響 134

4.3.1 表面加工粗糙度 134

4.3.2 表層組織結(jié)構(gòu) 137

4.3.3 表層應(yīng)力狀態(tài) 138

4.4 載荷的影響 142

4.4.1 載荷類型的影響 142

4.4.2 加載頻率的影響 142

4.4.3 平均應(yīng)力的影響 145

4.4.4 載荷波形的影響 145

4.4.5 載荷停歇和持續(xù)的影響 146

第5章 疲勞累積損傷理論 148

5.1 損傷的定義 148

5.2 疲勞累積損傷理論及其分類 148

5.2.1 三要素 148

5.2.2 分類 149

5.2.3 剩余壽命模型 150

5.2.4 剩余強(qiáng)度模型 151

5.2.5 剩余剛度模型 152

5.2.6 小結(jié) 153

5.3 線性疲勞累積損傷理論 154

5.3.1 等損傷線性疲勞累積損傷理論 154

5.3.2 等損傷分階段線性疲勞累積損傷理論 159

5.3.3 變損傷線性累積損傷理論 161

5.4 非線性疲勞累積損傷理論 163

5.4.1 Carten-Dolan理論 163

5.4.2 Chaboche理論 164

5.5 關(guān)于疲勞累積損傷理論的討論 165

5.5.1 模型的評(píng)估 165

5.5.2 模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估 165

5.5.3 結(jié)論 170

第6章 名義應(yīng)力法 174

6.1 名義應(yīng)力法基本原理 174

6.1.1 名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟 174

6.1.2 材料性能數(shù)據(jù) 175

6.1.3 名義應(yīng)力法的種類 177

6.2 傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法 177

6.2.1 名義應(yīng)力法 177

6.2.2 算例 177

6.2.3 實(shí)例 187

6.3 SSF法 197

6.3.1 SSF法 197

6.3.2 等效SSF法 201

6.3.3 實(shí)例 204

6.4 小結(jié)與討論 215

第7章 局部應(yīng)力應(yīng)變法 217

7.1 局部應(yīng)力應(yīng)變法的基本假設(shè) 217

7.1.1 局部應(yīng)力應(yīng)變法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟 218

7.1.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法的種類 218

7.1.3 關(guān)于局部應(yīng)力應(yīng)變法原理的討論 219

7.2 結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算 220

7.2.1 Neuber近似解法 221

7.2.2 彈塑性有限元解法 223

7.2.3 缺口彈塑性應(yīng)力應(yīng)變的Neuber解與有限元解的比較 224

7.3 局部應(yīng)力應(yīng)變法的穩(wěn)態(tài)法 226

7.3.1 算例 227

7.3.2 實(shí)例 237

7.4 局部應(yīng)力應(yīng)變法的瞬態(tài)法 245

7.5 小結(jié) 254

第8章 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)法 255

8.1 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法基本原理 255

8.1.1 基本原理 255

8.1.2 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法基本假設(shè)的試驗(yàn)驗(yàn)證 258

8.1.3 缺口件疲勞壽命估算方法的討論 264

8.2 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法對(duì)有關(guān)疲勞現(xiàn)象的解釋 267

8.2.1 疲勞缺口減縮系數(shù) 267

8.2.2 不同加載方式下疲勞極限 270

8.2.3 多軸比例復(fù)合載荷作用下的疲勞極限 273

8.2.4 疲勞尺寸系數(shù) 275

8.3 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法的應(yīng)用 278

8.3.1 算例 279

8.3.2 實(shí)例 281

8.4 小結(jié) 284

第9章 多軸疲勞 287

9.1 多軸疲勞載荷譜的處理 287

9.1.1 常用的多軸疲勞試驗(yàn)件 288

9.1.2 應(yīng)力不變量和應(yīng)變不變量 289

9.1.3 等效應(yīng)力和等效應(yīng)變 290

9.1.4 試驗(yàn)常用的載荷路徑 291

9.1.5 多軸疲勞載荷譜的處理 293

9.2 多軸循環(huán)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 294

9.3 多軸疲勞破壞準(zhǔn)則 295

9.3.1 多軸疲勞破壞準(zhǔn)則分類 295

9.3.2 等效損傷量 297

9.3.3 直接損傷量 302

9.3.4 多軸疲勞破壞準(zhǔn)則評(píng)估 305

9.3.5 討論 306

9.4 多軸疲勞累積損傷理論 307

9.4.1 疲勞累積損傷理論分類 307

9.4.2 多軸線性累積損傷模型 308

9.4.3 多軸非線性累積損傷模型 309

9.4.4 多軸疲勞累積損傷新模型 310

9.4.5 方法評(píng)估 311

9.4.6 階梯譜下的多軸疲勞損傷累積研究 314

9.4.7 塊譜和隨機(jī)譜下的累積損傷理論研究 322

9.4.8 小結(jié) 327

9.5 缺口件的多軸疲勞壽命分析 328

9.5.1 名義應(yīng)力法 328

9.5.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法 329

9.5.3 臨界距離法 331

9.5.4 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)法 333

9.5.5 小結(jié) 333

附錄 疲勞壽命數(shù)據(jù) 334

第10章 振動(dòng)疲勞 348

10.1 振動(dòng)疲勞的定義 348

10.2 振動(dòng)疲勞壽命分析 348

10.2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng) 348

10.2.2 振動(dòng)疲勞壽命分析方法分類 349

10.3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞試驗(yàn) 350

10.3.1 橢圓孔板 350

10.3.2 半圓形槽缺口試驗(yàn)件 350

10.3.3 U形槽缺口試驗(yàn)件 353

10.3.4 連接件 356

10.4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命估算的時(shí)域法 357

10.4.1 時(shí)域法 357

10.4.2 隨機(jī)過(guò)程時(shí)域模擬方法 358

10.4.3 算例 359

10.5 結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命分析的頻域法 360

10.5.1 功率譜密度 360

10.5.2 壽命分析基本理論 363

10.5.3 頻域法疲勞壽命分析流程 364

10.5.4 應(yīng)力幅值的概率密度函數(shù)p(S) 364

10.5.5 算例分析 366

10.6 缺口件的振動(dòng)疲勞壽命分析 367

10.6.1 動(dòng)力學(xué)下的應(yīng)力集中系數(shù) 367

10.6.2 局部應(yīng)力分析法 368

10.6.3 名義應(yīng)力分析法 369

10.7 連接件的振動(dòng)疲勞壽命分析 370

10.7.1 動(dòng)力學(xué)下的應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)SSF 370

10.7.2 連接件的振動(dòng)疲勞壽命分析步驟 372

10.7.3 算例 3722100433B