柔性太阳能电池器件的结构优化和疲劳分析

该课题以柔性电子太阳能电池的弹性基底为研究对象，主要探讨在保持器件整体功能性的前提下基底的优化设计，以提高器件的延展性和柔韧性。为此，我们分别从模拟和实验开展相关研究工作。通过有限元模拟计算与分析，我们发现在所提出的衬底-立柱-岛体的基底优化设计中，中间立柱的宽度对变形隔离效应有非常重要的影响，立柱-岛体整体的高度对变形隔离效应有影响。此外，对于界面的损伤累积与破坏理论模型已经建立，数值模拟工作还在进行当中。在实验方面，我们已经成功制备出这种三层复合结构基底，目前正在研发基于这种优化基底的电子设备，如柔性LED显示器、柔性传感器等。 2100433B

基底加岛体的结构化设计使得柔性太阳能电池器件具有良好的延展性。然而该设计在变形隔离上有特殊的岛体高度选择性，而且基体变形通过泊松效应对电池模块产生弯曲变形。保护膜的平板设计使得其厚度必须在抑制电池模块的弯曲变形（增加厚度）和降低界面剪应力（减小厚度）之间作出两难选择。这些设计中的不足不仅限制柔性太阳能电池器件的延展性，界面剪应力的存在也对电池器件的使用寿命产生负面影响。因此，本项目提出基底、岛体和连接二者柱体的优化基体结构化，并对保护膜进行结构化设计，减小粘接面积，结合数值模拟、理论分析和实验测试来实现具有最佳变形隔离效应的整体设计方案。同时建立界面强度的疲劳损伤理论模型，通过有限元计算和实验测试来研究电池器件的疲劳性能。本项目的研究成果将充分增加柔性太阳能器件的延展性，显著提高其疲劳寿命。该研究不仅具有重要的科学意义，而且有助于加速促进柔性太阳能电池器件的实际研发和应用。

在疲劳研究过程中，人们早就提出了“损伤”这一概念。所谓损伤，是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展。累积损伤规律是疲劳研究中最重要的课题之一，它是估算变幅载荷作用下结构和零件疲劳寿命的基础。

大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题。

疲劳破坏是结构的主要失效形式，因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是结构性能研究的主要内容之一。《结构疲劳寿命分析》系统阐述了结构疲劳寿命分析的基本原理、方法和过程。主要包括金属材料的疲劳性能、疲劳载荷谱、影响结构疲劳性能的主要因素、疲劳累积损伤理论、估算结构疲劳寿命的名义应力法、局部应力应变法和应力应变场强法、多轴疲劳、振动疲劳等内容。《结构疲劳寿命分析》的特点是围绕结构疲劳寿命估算，系统地介绍了所需的材料性能、估算原理、估算方法和估算步骤，并给出了丰富的算例和工程实例。

第1章 绪论 1

1.1 疲劳 1

1.1.1 疲劳定义 1

1.1.2 疲劳的分类 1

1.2 疲劳寿命 2

1.2.1 按损伤发展定义的疲劳寿命 2

1.2.2 由设计准则定义的疲劳寿命 4

1.2.3 从使用角度定义的疲劳寿命 4

1.3 疲劳寿命分析发展简史 4

1.4 疲劳研究方法 7

1.4.1 疲劳研究的三个尺度 7

1.4.2 疲劳机制 7

1.4.3 经验方法 12

1.4.4 断裂力学方法 13

1.4.5 讨论 14

1.5 确定疲劳寿命的方法 15

第2章 金属材料的疲劳性能 18

2.1 金属材料的拉伸特性 18

2.2 金属材料的循环应力-应变特性 20

2.2.1 循环硬化和循环软化 21

2.2.2 循环蠕变和循环松弛 23

2.2.3 Bauschinger效应 23

2.2.4 Masing特性 24

2.2.5 稳态循环应力-应变曲线 25

2.2.6 记忆特性与可用性系数 27

2.2.7 瞬态循环应力-应变曲线 29

2.3 金属材料的S-N曲线 32

2.3.1 S-N曲线 32

2.3.2 S-N曲线的拟合 35

2.3.3 等寿命曲线 42

2.3.4 疲劳极限 44

2.3.5 获得疲劳极限的试验方法 52

2.3.6 疲劳极限图 53

2.3.7 p-S-N曲线 54

2.4 应变-寿命曲线 57

2.4.1 Δε-N曲线 58

2.4.2 εeq-N曲线 62

第3章 疲劳载荷谱 65

3.1 疲劳载荷谱的种类 66

3.1.1 常幅谱 66

3.1.2 块谱 66

3.1.3 随机谱 67

3.2 雨流法 69

3.3 机动类飞机的载荷谱 72

3.3.1 任务剖面 72

3.3.2 载荷谱组成 73

3.4 运输类飞机载荷谱 80

3.4.1 突风载荷 80

3.4.2 机动载荷 80

3.4.3 地面载荷 82

3.4.4 地-空-地循环 86

3.5 试验谱编制 86

3.5.1 高载截除 87

3.5.2 低载删除 87

3.5.3 载荷谱的等效 98

3.5.4 飞-续-飞试验谱的编制 99

3.5.5 严重谱 101

第4章 影响结构疲劳性能的主要因素 107

4.1 应力集中的影响 108

4.1.1 平均应力模型 109

4.1.2 场强法模型 113

4.1.3 断裂力学模型 115

4.1.4 小结 117

4.1.5 算例 120

4.1.6 实例 123

4.2 尺寸的影响 128

4.2.1 均匀应力场的尺寸系数 128

4.2.2 非均匀应力场的尺寸系数 131

4.3 表面状态的影响 134

4.3.1 表面加工粗糙度 134

4.3.2 表层组织结构 137

4.3.3 表层应力状态 138

4.4 载荷的影响 142

4.4.1 载荷类型的影响 142

4.4.2 加载频率的影响 142

4.4.3 平均应力的影响 145

4.4.4 载荷波形的影响 145

4.4.5 载荷停歇和持续的影响 146

第5章 疲劳累积损伤理论 148

5.1 损伤的定义 148

5.2 疲劳累积损伤理论及其分类 148

5.2.1 三要素 148

5.2.2 分类 149

5.2.3 剩余寿命模型 150

5.2.4 剩余强度模型 151

5.2.5 剩余刚度模型 152

5.2.6 小结 153

5.3 线性疲劳累积损伤理论 154

5.3.1 等损伤线性疲劳累积损伤理论 154

5.3.2 等损伤分阶段线性疲劳累积损伤理论 159

5.3.3 变损伤线性累积损伤理论 161

5.4 非线性疲劳累积损伤理论 163

5.4.1 Carten-Dolan理论 163

5.4.2 Chaboche理论 164

5.5 关于疲劳累积损伤理论的讨论 165

5.5.1 模型的评估 165

5.5.2 模型的试验数据评估 165

5.5.3 结论 170

第6章 名义应力法 174

6.1 名义应力法基本原理 174

6.1.1 名义应力法估算结构疲劳寿命的步骤 174

6.1.2 材料性能数据 175

6.1.3 名义应力法的种类 177

6.2 传统的名义应力法 177

6.2.1 名义应力法 177

6.2.2 算例 177

6.2.3 实例 187

6.3 SSF法 197

6.3.1 SSF法 197

6.3.2 等效SSF法 201

6.3.3 实例 204

6.4 小结与讨论 215

第7章 局部应力应变法 217

7.1 局部应力应变法的基本假设 217

7.1.1 局部应力应变法估算结构疲劳寿命的步骤 218

7.1.2 局部应力应变法的种类 218

7.1.3 关于局部应力应变法原理的讨论 219

7.2 结构局部应力应变的计算 220

7.2.1 Neuber近似解法 221

7.2.2 弹塑性有限元解法 223

7.2.3 缺口弹塑性应力应变的Neuber解与有限元解的比较 224

7.3 局部应力应变法的稳态法 226

7.3.1 算例 227

7.3.2 实例 237

7.4 局部应力应变法的瞬态法 245

7.5 小结 254

第8章 应力应变场强法 255

8.1 应力场强法基本原理 255

8.1.1 基本原理 255

8.1.2 应力场强法基本假设的试验验证 258

8.1.3 缺口件疲劳寿命估算方法的讨论 264

8.2 应力场强法对有关疲劳现象的解释 267

8.2.1 疲劳缺口减缩系数 267

8.2.2 不同加载方式下疲劳极限 270

8.2.3 多轴比例复合载荷作用下的疲劳极限 273

8.2.4 疲劳尺寸系数 275

8.3 应力场强法的应用 278

8.3.1 算例 279

8.3.2 实例 281

8.4 小结 284

第9章 多轴疲劳 287

9.1 多轴疲劳载荷谱的处理 287

9.1.1 常用的多轴疲劳试验件 288

9.1.2 应力不变量和应变不变量 289

9.1.3 等效应力和等效应变 290

9.1.4 试验常用的载荷路径 291

9.1.5 多轴疲劳载荷谱的处理 293

9.2 多轴循环应力 应变关系 294

9.3 多轴疲劳破坏准则 295

9.3.1 多轴疲劳破坏准则分类 295

9.3.2 等效损伤量 297

9.3.3 直接损伤量 302

9.3.4 多轴疲劳破坏准则评估 305

9.3.5 讨论 306

9.4 多轴疲劳累积损伤理论 307

9.4.1 疲劳累积损伤理论分类 307

9.4.2 多轴线性累积损伤模型 308

9.4.3 多轴非线性累积损伤模型 309

9.4.4 多轴疲劳累积损伤新模型 310

9.4.5 方法评估 311

9.4.6 阶梯谱下的多轴疲劳损伤累积研究 314

9.4.7 块谱和随机谱下的累积损伤理论研究 322

9.4.8 小结 327

9.5 缺口件的多轴疲劳寿命分析 328

9.5.1 名义应力法 328

9.5.2 局部应力应变法 329

9.5.3 临界距离法 331

9.5.4 应力应变场强法 333

9.5.5 小结 333

附录 疲劳寿命数据 334

第10章 振动疲劳 348

10.1 振动疲劳的定义 348

10.2 振动疲劳寿命分析 348

10.2.1 结构振动 348

10.2.2 振动疲劳寿命分析方法分类 349

10.3 结构振动疲劳试验 350

10.3.1 椭圆孔板 350

10.3.2 半圆形槽缺口试验件 350

10.3.3 U形槽缺口试验件 353

10.3.4 连接件 356

10.4 结构振动疲劳寿命估算的时域法 357

10.4.1 时域法 357

10.4.2 随机过程时域模拟方法 358

10.4.3 算例 359

10.5 结构振动疲劳寿命分析的频域法 360

10.5.1 功率谱密度 360

10.5.2 寿命分析基本理论 363

10.5.3 频域法疲劳寿命分析流程 364

10.5.4 应力幅值的概率密度函数p(S) 364

10.5.5 算例分析 366

10.6 缺口件的振动疲劳寿命分析 367

10.6.1 动力学下的应力集中系数 367

10.6.2 局部应力分析法 368

10.6.3 名义应力分析法 369

10.7 连接件的振动疲劳寿命分析 370

10.7.1 动力学下的应力严重系数SSF 370

10.7.2 连接件的振动疲劳寿命分析步骤 372

10.7.3 算例 3722100433B