层板复合材料的疲劳剩余寿命预报模型

应用可靠性分析的方法，导出了层板复合材料在疲劳载荷作用下的疲劳剩余寿命的预报模型。该模型已用典型层板复合材料在恒幅疲劳载荷作用下的实验数据进行了验证，实验结果表明，理论预测结果与实验值的接近程度是合理的。     

单向帘线/橡胶复合材料的疲劳损伤模型与疲劳寿命预报

将不可逆热力学和损伤力学应用于橡胶复合材料的疲劳研究，在大量试验工作的基础上，选择适当的热力学势函数，建立了橡胶复合材料的损伤演变方程和橡胶复合材料的疲劳寿命预报方程。应用本模型对单向橡胶复合材料的疲劳寿命进行了预报，发现理论预测值与试验结果比较符合。     

疲劳加载下纤维复合材料的剩余强度

回顾了纤维复合材料在疲劳加载下的剩余强度的描述方法和试验结果, 并按照纤维复合 材料中疲劳损伤发展的行为, 提出了一个描述纤维复合材料的剩余强度的模型, 该模型考虑了疲 劳损伤在纤维复合材料中产生和扩展的特征, 试验结果与理论描述吻合较好。      

层板复合材料的疲劳剩余寿命预报模型

应用可靠性分析的方法 ,导出了层板复合材料在疲劳载荷作用下的疲劳剩余寿命的预报模型。该模型已用典型层板复合材料在恒幅疲劳载荷作用下的实验数据进行了验证。实验结果表明 ,理论预测结果与实验值的接近程度是合理的     

一种基于复合材料剩余强度的衍生疲劳损伤模型

为了研究纤维增强树脂复合材料在疲劳载荷作用下的损伤发展规律,提出了一种基于复合材料剩余强度的归一化衍生疲劳损伤模型。在该模型中,假定累积损伤与应力水平呈线性关系,可以由拉-拉疲劳试验的应力水平的损伤曲线衍生出未试验的应力水平的损伤曲线。对直径为8 mm的碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)索材进行了不同应力幅的疲劳试验,并同时采用了文献中玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)层合板的试验数据验证模型的可靠性,试验结果表明:损伤模型能较好地反映出三阶段的发展规律,衍生的损伤曲线与试验数据拟合出来的损伤曲线偏离度较小。此外,本文还研究了应力水平对复合材料损伤演化的影响,结果表明随着应力水平的增大,损伤曲线相邻阶段的边界变得不明显。      

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

复合材料层压板剩余刚度剩余强度关联模型

基于剩余强度和剩余刚度取决于同一损伤状态的假设,给出了基于剩余刚度的损伤定义和基于剩余强度的损伤定义之间的关系,建立了剩余刚度剩余强度关联模型。用3种不同铺层形式的层压板试验数据对本文中提出的剩余刚度模型及剩余强度模型进行了验证,结果表明:本文中提出的剩余刚度和剩余强度模型能很好地描述复合材料层压板疲劳过程中的剩余刚度和剩余强度退化规律;通过关联模型,可以在已知剩余刚度退化规律的前提下,用少量剩余强度试验确定剩余强度退化规律;与剩余刚度关联的剩余强度模型中的参数可以被认为是材料常数。      

基于剩余应变的复合材料结构寿命预测

为实现对复合材料结构的寿命预测,对已有的复合材料疲劳寿命预测模型进行了研究,确定了基本的刚度降模型,提出了剩余应变的概念,并将其应用到渐进疲劳损伤方法中,以Abaqus为平台,编写UMAT子程序,实现了对复合材料结构的寿命预测及疲劳损伤扩展分析.针对某碳纤维增强复合材料TS800开展相关试验,试验结果与预测结果吻合较好.研究表明,本文所改进的渐进疲劳损伤方法能较好地完成对复合材料结构的寿命预测.     

单向碳/环氧复合材料拉-拉疲劳寿命分布

通过对同一应力水平上50根试件的大子样疲劳试验结果研究表明:单向碳/环氧复合材料拉-拉(R=0.1)疲劳寿命服从对数正态分布.      

层板复合材料疲劳性能的实验研究

对层板复合材料在拉伸－拉伸疲劳载荷作用下的初始静刚度、初始静强度、剩余刚度、剩余强度、疲劳寿命进行了实验研究,取得了大量的有意义的实验数据,分析了层板复合材料的初始静刚度、初始静强度和疲劳寿命的概率分布,讨论了层板复合材料在不同应力水平下剩余刚度随疲劳循环周次的衰减变化及损伤破坏的形式,得到了一些有意义的结论。     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

Influence of residual thermal stresses on fatigue crack growth life of discontinuous reinforcements in metal matrix composites

The fatigue life prediction model based on crack propagation from micro-structural features is derived and presented for planar and randomly oriented Discontinuous Reinforced Metal Matrix Composites (DRMMCs). The model contains the influence of micro-structural properties such as aspect ratio, volume fraction of particle/fibre and constraint between particle and the matrix. The effect of residual thermal stresses generated within the matrix during development of composite is considered. The particle/fibre plays a dominant role in the development of the cyclic plastic zone size ahead of the crack tip; moreover, it enhances the cyclic plastic deformation characteristics of DRMMC. The theoretical model-based evaluations for low cycle fatigue in DRMMCs are within the proximity of the experimental results.     

热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

循环加载周期对二维C/C复合材料弯曲疲劳强度的影响

采用频率为10 Hz、 应力比为0.1的正弦波研究了室温下循环次数对二维炭毡C/C复合材料(2D炭毡C/C复合材料)的弯曲疲劳强度的影响, 并利用偏光显微镜和扫描电子显微镜对该材料的热解碳组织形貌以及疲劳前后的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明, 2D炭毡C/C复合材料的热解碳结构由光滑层和各向同性层组成, 其疲劳极限为76.5 MPa, 是静态弯曲强度的90%。在不同循环周次的疲劳载荷作用后, 材料的剩余弯曲强度和韧性都得到了提高。在疲劳加载过程中, 纤维/基体的界面结合强度发生弱化, 纤维的协同承载能力得到提高, 使C/C复合材料出现了疲劳强化现象。      

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

基于单胞解析模型的单向复合材料强度预报方法

基于单胞解析模型,建立一种从复合材料细观组分到宏观单向板的强度预报方法。根据连续介质力学和均匀化方法构建细-宏观关联矩阵,通过该关联矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观单向板中。考虑复合材料细观损伤状态,当纤维和基体满足各自强度准则时失效,并通过失效因子折算成刚度的衰减。在此基础上,结合有限元分析,实现复合材料单向板纵横向拉伸模拟,从而预报单向板的拉伸强度。结果表明:该方法预报的模量和强度与实验值基本一致,验证了该方法的有效性与高效性。     

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

基于纤维束增强树脂基复合材料测试的单向层合板层间剪切性能的预估方法

纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征,然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板,对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场,发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合,而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态,这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型,应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性,相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法,通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。     

Mechanism modelling of shot peening effect on fatigue life prediction

A new mechanism modelling is proposed in this paper to explain the shot peening effect on fatigue life predictions of mechanical components. The proposed methodology is based on the crack growth analysis of shot peened specimens, which are affected by the interaction of surface roughness and residual stress produced during the shot peening process. An asymptotic stress intensity factor solution is used to include the surface roughness effect and a time‐varying residual stress function is used to change the crack tip stress ratio during the crack propagation. Parametric studies are performed to investigate the effects of surface roughness and the residual stress relaxation rate. Following this, a simplified effective residual stress model is proposed based on the developed mechanism modelling. A wide range of experimental data is used to validate the proposed mechanism modelling. Very good agreement is observed between experimental data and model predictions.