纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞損傷模型及分析方法.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高等優(yōu)良材料性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。靜載荷作用下復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度研究已取得了很大成果，隨之而來(lái)被靜強(qiáng)度所覆蓋的復(fù)合材料疲勞成為關(guān)注的重點(diǎn)。復(fù)合材料的疲勞損傷機(jī)理比金屬材料更加復(fù)雜，針對(duì)不同材料、不同組分，復(fù)合材料的疲勞特性及失效模式不盡相同。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由纖維、基體以及界面所組成的各向異性材料，在疲勞交變載荷作用下其結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生基體微裂紋、基纖界面脫粘、分層和纖維斷裂等四種基本破

2、壞模式以及由于不同損傷相互耦合作用而形成的諸多綜合破壞形式。因此，研究疲勞交變載荷作用下復(fù)合材料內(nèi)部的損傷演化機(jī)理，對(duì)復(fù)合材料的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)具有重要的理論和工程意義。本文從連續(xù)損傷力學(xué)理論出發(fā)，研究不同加載方式作用下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞損傷機(jī)理，預(yù)測(cè)復(fù)合材料層合板的疲勞壽命。具體研究工作如下：
　　1．以連續(xù)損傷力學(xué)理論和Ladevèze理論方法為基礎(chǔ)，研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习鍍?nèi)部疲勞損傷演化機(jī)理。將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料偏

3、軸單向?qū)雍习宓钠趽p傷分為面內(nèi)軸向、橫向和剪切三種損傷模式，建立含損傷復(fù)合材料單向?qū)雍习灞緲?gòu)方程，揭示疲勞載荷作用下面內(nèi)橫向和剪切損傷的耦合機(jī)理。根據(jù)熱力學(xué)原理，利用Gibbs自由能函數(shù)得到多軸疲勞載荷作用下?lián)p傷驅(qū)動(dòng)力的一般表達(dá)形式，進(jìn)而得到純橫向拉伸和純剪切疲勞交變載荷作用下的損傷驅(qū)動(dòng)力。以不可逆熱動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立考慮面內(nèi)軸向、橫向和剪切耦合作用的三種損傷演化方程。分別利用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料0°、90°和45o偏軸單向?qū)雍习迤?/p>

4、勞試驗(yàn)擬合面內(nèi)軸向、橫向和剪切損傷演化方程參數(shù)。提出考慮面內(nèi)軸向、橫向和剪切損傷模式的疲勞失效判據(jù)，建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习迤趽p傷模型，分析其內(nèi)部疲勞損傷失效機(jī)理，利用數(shù)值解法預(yù)測(cè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料偏軸單向?qū)雍习宓钠趬勖⑴c試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證模型的正確性。
　　2．從連續(xù)損傷力學(xué)理論出發(fā)，研究平均應(yīng)力和不同纖維鋪層對(duì)復(fù)合材料單向?qū)雍习迤谔匦缘挠绊?。首先研究?jīng)驗(yàn)疲勞強(qiáng)度比和無(wú)量綱有效應(yīng)力對(duì)玻璃纖維、碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料偏軸單向

5、層合板疲勞特性的影響。在此基礎(chǔ)上考慮應(yīng)力比影響，建立修正疲勞強(qiáng)度比和修正無(wú)量綱有效應(yīng)力的一般表達(dá)形式。在上一章單向?qū)雍习迤趽p傷模型的基礎(chǔ)上，建立含應(yīng)力比影響的單向?qū)雍习迤趬勖A(yù)估模型。考慮面內(nèi)三種損傷演化失效模式，分別利用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习逶趹?yīng)力比R=0和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习逶趹?yīng)力比R=0.1作用下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合面內(nèi)軸向、橫向和剪切三種損傷演化方程的模型參數(shù)，進(jìn)而預(yù)報(bào)兩種復(fù)合材料偏軸單向?qū)雍习逶趹?yīng)力比R=0.

6、5作用下的疲勞壽命及S-N曲線。預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證模型的合理及正確性。
　　3．研究不同加載方式對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板疲勞性能的影響規(guī)律。以剩余剛度模型為基礎(chǔ)，考慮應(yīng)力比、加載頻率和最小纖維鋪層角對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板疲勞壽命的影響，建立有效的唯象疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。以四種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板為研究對(duì)象，分別利用單軸拉伸應(yīng)力比R=0.1、單軸壓縮應(yīng)力比R=10以及頻率f=1Hz交變載荷作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬