纤维增强复合材料寿命预测与疲劳性能衰减研究

论文摘要

复合材料因其优良的材料性能而被广泛应用于航空领域。为提高飞机性能,降低使用成本,一个必然途径是提高复合材料的设计许用应变/强度,如此,则材料原先被静强度所覆盖的疲劳问题将逐渐暴露出来,复合材料的抗疲劳设计将成为飞机结构设计的重要关注点。而现阶段有关复合材料疲劳行为研究的理论结果与实际情况相差较大,仍处于初级阶段,需要对复合材料疲劳行为展开广泛而深入的研究。鉴此,本文从以下几个方面对复合材料疲劳行为进行研究:首先研究了复合材料的疲劳损伤演化规律,并通过可检测的材料剩余刚度定义一个反映损伤大小的参量,由此构建了含两未知参数的宏观唯象损伤模型。再依据复合材料刚度衰减速率在寿命全区域内呈“快→缓→快”的变化特点,并结合损伤模型的函数特征,推导出两模型参数成线性关系,以及参数与外加载荷水平成反比,与材料静强度、疲劳寿命成正比。算例结果表明该模型能对变幅载荷下复合材料的剩余寿命给出较好预测结果,与试验值的误差基本限于3倍范围内;其次研究了给定疲劳寿命下层合板疲劳强度间的相互联系。采用疲劳强度比描述任意铺角单向板与纵、横向板间疲劳强度的联系,并分析知疲劳强度比随材料疲劳寿命增加而递减、随铺设角度增加而先递减后递增;通过分析刚度退化规律来反映层合板与纵、横向板间疲劳强度的联系,并详细分析了以纤维影响为主和以基体影响为主的层合板的刚度退化的不同模式。再结合复合材料疲劳寿命曲线方程后,构建一套利用纵、横向板疲劳寿命预测任意铺设单向板、层合板疲劳寿命的方法。算例结果表明该方法预测的疲劳寿命值与试验值相吻合;再次研究了复合材料静强度和其疲劳寿命分散性来源的特征,二者的共性是均受材料内部的初始缺陷影响,不同点是不同的加载方式引起不同特征的损伤。结合一个材料疲劳寿命曲线方程,且依据材料在等置信度等存活疲劳寿命曲线中任一点处的疲劳强度与疲劳寿命的失效概率相等的统计规律,构建了一个基于复合材料静强度概率分布描述任意载荷下其疲劳寿命概率分布的模型。5组算例结果表明模型值与试验值比较吻合。接着研究了复合材料剩余强度的衰减规律,即随加载次数增加,其衰减速率先较大,再变慢,后再次增大至材料断裂,由此提出一个两参数宏观模型对其进行描述。在进一步分析剩余强度衰减特点后得两参数与层合板的铺设角度、加载水平等成正比,而与层合板疲劳寿命成反比。并以此模型为基础推导了复合材料静强度分散性与剩余强度分散性间的联系。10组算例结果表明该模型合理描述了复合材料剩余强度的衰减规律。最后研究了复合材料缺口件剩余强度的演化规律,即随加载次数增加,其剩余强度先单调递增,达到最大值后,剩余强度再单调递减,降至最大外加载荷时材料断裂,则寿命前期内材料剩余强度大于其静强度,分析原因是不同加载方式造成缺口根部应力集中的变化规律不同,本文构建一个宏观模型对其进行描述,算例表明该模型能对复合材料缺口件剩余强度演化规律合理描述。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合材料单轴疲劳研究现状
• 1.2.1 复合材料疲劳破坏机理研究
• 1.2.2 复合材料疲劳力学性能研究
• 1.2.3 复合材料层合板寿命预测
• 1.2.4 复合材料疲劳性能分散性
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 层合板疲劳累积损伤的刚度衰减模型
• 2.1 引言
• 2.2 累积损伤模型
• 2.2.1 损伤变量
• 2.2.2 损伤模型
• 2.2.3 模型验证
• 2.2.4 模型参数分析
• 2.3 寿命预测
• 2.3.1 损伤累积规则
• 2.3.2 剩余寿命预测
• 2.4 小结
• 第三章 层合板疲劳寿命预测
• 3.1 引言
• 3.2 单向板疲劳寿命预测模型
• 3.2.1 预测模型
• 3.2.2 模型验证
• 3.3 层合板寿命预测模型
• 3.3.1 层合板应力分析方法
• 3.3.2 寿命预测模型
• 3.3.3 模型验证
• 3.4 小结
• 第四章 复合材料疲劳寿命分布
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳寿命分布模型
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 分布模型
• 4.2.3 模型验证
• 4.3 小结
• 第五章 层合板剩余强度衰减模型
• 5.1 引言
• 5.2 剩余强度
• 5.2.1 机理分析
• 5.2.2 衰减模型
• 5.2.3 模型验证
• 5.3 剩余强度概率分布
• 5.3.1 分布模型
• 5.3.2 模型验证
• 5.4 小结
• 第六章 层合板缺口件剩余强度衰减模型
• 6.1 引言
• 6.2 缺口件剩余强度衰减模型
• 6.2.1 机理分析
• 6.2.2 衰减模型
• 6.3 模型验证
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文