纤维增强复合材料的疲劳损伤模型及分析方法

摘要

纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度高等优良材料性能，广泛应用于航空、航天等领域。静载荷作用下复合材料的强度、刚度研究已取得了很大成果，随之而来被静强度所覆盖的复合材料疲劳成为关注的重点。复合材料的疲劳损伤机理比金属材料更加复杂，针对不同材料、不同组分，复合材料的疲劳特性及失效模式不尽相同。纤维增强复合材料是由纤维、基体以及界面所组成的各向异性材料，在疲劳交变载荷作用下其结构内部会产生基体微裂纹、基纤界面脱粘、分层和纤维断裂等四种基本破坏模式以及由于不同损伤相互耦合作用而形成的诸多综合破坏形式。因此，研究疲劳交变载荷作用下复合材料内部的损伤演化机理，对复合材料的疲劳寿命进行预测具有重要的理论和工程意义。本文从连续损伤力学理论出发，研究不同加载方式作用下纤维增强复合材料的疲劳损伤机理，预测复合材料层合板的疲劳寿命。具体研究工作如下：
　　1．以连续损伤力学理论和Ladevèze理论方法为基础，研究纤维增强复合材料单向层合板内部疲劳损伤演化机理。将纤维增强复合材料偏轴单向层合板的疲劳损伤分为面内轴向、横向和剪切三种损伤模式，建立含损伤复合材料单向层合板本构方程，揭示疲劳载荷作用下面内横向和剪切损伤的耦合机理。根据热力学原理，利用Gibbs自由能函数得到多轴疲劳载荷作用下损伤驱动力的一般表达形式，进而得到纯横向拉伸和纯剪切疲劳交变载荷作用下的损伤驱动力。以不可逆热动力学理论为基础，建立考虑面内轴向、横向和剪切耦合作用的三种损伤演化方程。分别利用玻璃纤维增强复合材料0°、90°和45o偏轴单向层合板疲劳试验拟合面内轴向、横向和剪切损伤演化方程参数。提出考虑面内轴向、横向和剪切损伤模式的疲劳失效判据，建立纤维增强复合材料单向层合板疲劳损伤模型，分析其内部疲劳损伤失效机理，利用数值解法预测纤维增强复合材料偏轴单向层合板的疲劳寿命并与试验结果比较，验证模型的正确性。
　　2．从连续损伤力学理论出发，研究平均应力和不同纤维铺层对复合材料单向层合板疲劳特性的影响。首先研究经验疲劳强度比和无量纲有效应力对玻璃纤维、碳纤增强复合材料偏轴单向层合板疲劳特性的影响。在此基础上考虑应力比影响，建立修正疲劳强度比和修正无量纲有效应力的一般表达形式。在上一章单向层合板疲劳损伤模型的基础上，建立含应力比影响的单向层合板疲劳寿命预估模型。考虑面内三种损伤演化失效模式，分别利用玻璃纤维增强复合材料单向层合板在应力比R=0和碳纤维增强复合材料单向层合板在应力比R=0.1作用下的疲劳试验数据拟合面内轴向、横向和剪切三种损伤演化方程的模型参数，进而预报两种复合材料偏轴单向层合板在应力比R=0.5作用下的疲劳寿命及S-N曲线。预测结果与试验结果相吻合，验证模型的合理及正确性。
　　3．研究不同加载方式对玻璃纤维增强复合材料层合板疲劳性能的影响规律。以剩余刚度模型为基础，考虑应力比、加载频率和最小纤维铺层角对玻璃纤维增强复合材料层合板疲劳寿命的影响，建立有效的唯象疲劳寿命预测模型。以四种玻璃纤维增强复合材料层合板为研究对象，分别利用单轴拉伸应力比R=0.1、单轴压缩应力比R=10以及频率f=1Hz交变载荷作用下的试验数据拟合模型参数，进而预测其他应力比和频率作用下同一体系玻璃纤维增强复合材料层合板的疲劳寿命，与试验数据相比较。结果表明，该模型能够较好地预测玻璃纤维增强复合材料层合板的疲劳寿命，从理论上辅助并减少疲劳试验工作量，提高预报效率。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 存在的问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 损伤力学基础理论

2.1 引言

2.2 损伤变量

2.3 热动力学理论

2.4 本章小结

第3章 考虑横向和剪切损伤耦合作用的疲劳损伤模型

3.1 引言

3.2 多尺度分析方法

3.3 考虑耦合损伤的纤维增强复合材料单向层合板疲劳损伤研究

3.4 考虑横向和剪切损伤耦合作用的损伤演化方程

3.5 损伤演化方程参数的确定

3.6 损伤演化模型的验证及分析

3.7 本章小结

第4章 考虑应力比影响的疲劳寿命预估模型

4.1 引言

4.2 应力比和纤维铺层角对疲劳的影响

4.3 与应力比有关的疲劳力学特性

4.4 考虑应力比影响的细观疲劳损伤模型

4.5 本章小结

第5章 玻璃纤维增强复合材料层合板的疲劳寿命分析

5.1 引言

5.2 唯象的疲劳寿命模型研究

5.3 模型参数的确定

5.4 算例分析及结果讨论

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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