纖維增強復合材料的疲勞損傷模型及分析方法.pdf

1、纖維增強復合材料具有比強度高、比剛度高等優(yōu)良材料性能，廣泛應用于航空、航天等領域。靜載荷作用下復合材料的強度、剛度研究已取得了很大成果，隨之而來被靜強度所覆蓋的復合材料疲勞成為關注的重點。復合材料的疲勞損傷機理比金屬材料更加復雜，針對不同材料、不同組分，復合材料的疲勞特性及失效模式不盡相同。纖維增強復合材料是由纖維、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構內部會產生基體微裂紋、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合材料內部的損傷演化機理，對復合材料的疲勞壽命進行預測具有重要的理論和工程意義。本文從連續(xù)損傷力學理論出發(fā)，研究不同加載方式作用下纖維增強復合材料的疲勞損傷機理，預測復合材料層合板的疲勞壽命。具體研究工作如下：
　　1．以連續(xù)損傷力學理論和Ladevèze理論方法為基礎，研究纖維增強復合材料單向層合板內部疲勞損傷演化機理。將纖維增強復合材料偏

3、軸單向層合板的疲勞損傷分為面內軸向、橫向和剪切三種損傷模式，建立含損傷復合材料單向層合板本構方程，揭示疲勞載荷作用下面內橫向和剪切損傷的耦合機理。根據(jù)熱力學原理，利用Gibbs自由能函數(shù)得到多軸疲勞載荷作用下?lián)p傷驅動力的一般表達形式，進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動力。以不可逆熱動力學理論為基礎，建立考慮面內軸向、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復合材料0°、90°和45o偏軸單向層合板疲

4、勞試驗擬合面內軸向、橫向和剪切損傷演化方程參數(shù)。提出考慮面內軸向、橫向和剪切損傷模式的疲勞失效判據(jù)，建立纖維增強復合材料單向層合板疲勞損傷模型，分析其內部疲勞損傷失效機理，利用數(shù)值解法預測纖維增強復合材料偏軸單向層合板的疲勞壽命并與試驗結果比較，驗證模型的正確性。
　　2．從連續(xù)損傷力學理論出發(fā)，研究平均應力和不同纖維鋪層對復合材料單向層合板疲勞特性的影響。首先研究經驗疲勞強度比和無量綱有效應力對玻璃纖維、碳纖增強復合材料偏軸單向

5、層合板疲勞特性的影響。在此基礎上考慮應力比影響，建立修正疲勞強度比和修正無量綱有效應力的一般表達形式。在上一章單向層合板疲勞損傷模型的基礎上，建立含應力比影響的單向層合板疲勞壽命預估模型?？紤]面內三種損傷演化失效模式，分別利用玻璃纖維增強復合材料單向層合板在應力比R=0和碳纖維增強復合材料單向層合板在應力比R=0.1作用下的疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合面內軸向、橫向和剪切三種損傷演化方程的模型參數(shù)，進而預報兩種復合材料偏軸單向層合板在應力比R=0.

6、5作用下的疲勞壽命及S-N曲線。預測結果與試驗結果相吻合，驗證模型的合理及正確性。
　　3．研究不同加載方式對玻璃纖維增強復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，考慮應力比、加載頻率和最小纖維鋪層角對玻璃纖維增強復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測模型。以四種玻璃纖維增強復合材料層合板為研究對象，分別利用單軸拉伸應力比R=0.1、單軸壓縮應力比R=10以及頻率f=1Hz交變載荷作用下的試驗數(shù)據(jù)擬