复合材料层板疲劳损伤的有效能耗分析法

通过对纤维增强复合材料层板疲劳过程中能量耗散的不可逆过程的分析,并考虑不同加载次序,建立了一种以有效能耗为基础的非线性疲劳损伤累积法则.并从理论和实验证明了该法则能正确的反映载荷次序效应等疲劳累积损伤规律.     

吸湿后碳纤维复合材料正交层板拉伸疲劳性能

湿环境下复合材料疲劳性能会严重退化,影响结构的使用安全,在确定复合材料结构寿命时须考虑湿环境的影响.对常温下湿态和干态下碳纤维复合材料正交层合板的拉伸疲劳性能进行实验,研究饱和吸湿对正交层合板拉伸疲劳性能的影响,获得了两种环境下层合板的S-N曲线.在此基础上,建立有限元模型,并对吸湿后正交层合板的疲劳寿命和损伤演化情况进行预测,计算结果与实验结构吻合较好,证明了模型的有效性.结果表明,饱和吸湿对正交层合板的拉伸疲劳性能影响很大.吸湿后正交层合板的拉伸疲劳寿命明显低于干态情况,而且S-N曲线的斜率稍低,层合板的纤维损伤起始与扩展情况与干态情况也有较大差别.     

复合材料层板在疲劳下的剩余刚度衰退理论

本文根据实验规律,将复合材料层板的性能参数视成随机变量,提出了一个剩余刚度的衰退理论。建立了剩余刚度分布函数公式,给出了剩余刚度和剩余强度以及寿命的关系,并用试验进行了验证。     

复合材料层板静压入破坏机制

建立一个有效的计算模型, 以分析复合材料层板在静压入过程中发生分层、 纤维断裂的现象。该计算模型基于有限元程序的三维逐渐损伤理论对层板的静压入全过程进行模拟, 对逐层逐个单元的损伤进行判断, 可以模拟任意角度、 铺层厚度的层板在递增载荷下的逐渐损伤破坏过程。对炭纤维增强环氧树脂基复合材料层板在静压入过程中发生的分层和纤维断裂现象进行预测,并与实验结果进行比较; 对炭纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料层板在静压入过程中的分层损伤和最终破坏接触力的大小进行预测,并与低速冲击下的结果进行比较。数值仿真与实验结果吻合较好, 表明静压入分析方法是复合材料层板在低速冲击下产生损伤的可替换分析方法。      

复合材料正交层板基体裂纹预测

将断裂力学的能量释放率概念及A.S.D.Wang在90°层横向裂纹情况的方法推广到层板后期复杂基体裂纹情况,对[O₂/90n]s层板内的0°层纵向劈裂、0°—90°界面的两种脱层等裂纹形式进行三维有限元分析并得出其应变能释放率与裂纹尺寸的关系曲线,对每种基体开裂给出载荷的理论预测值,与实验结果比较,吻合较好。      

湿热环境下复合材料层板拉-压性能

通过对碳纤维环氧复合材料试样进行不同湿热环境下的拉伸和压缩实验,分析其吸湿特性、拉压力学性能、破坏后断口形貌以及动态力学性能,探讨湿热对该复合材料的拉伸和压缩性能的影响。结果表明:碳纤维环氧复合材料的吸湿过程满足Fick定律,饱和吸湿率约为0.86%。吸湿后材料表面变得光滑,有少量纤维拔出和树脂破坏发生,但吸湿后没有发生化学反应和新物质生成。吸湿后在130℃下,复合材料的拉伸性能保持率为96%,而压缩性能保持率仅为69%。吸湿后玻璃化转变温度比干态时下降了33℃。     

压电复合材料正交层板的精确理论

基于一个六自由度的位移场和电势场, 建立了压电复合材料层板的控制方程。在简支边界条件下, 得到了正交矩形压电复合材料层板的解析解。该理论是一个等效单层理论, 控制方程的变量仅六个, 且不随层数变化, 使解的数学过程简洁。在该理论中, 决定精度的位移分布函数和电势分布函数由三维应力和静电平衡方程的特解来确定, 使之满足压电层板界面连续条件与板面力及电条件。算例验证了本文中等效单层理论的高精度。     

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。     

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     

碳-铝正交层板疲劳行为研究

本研究用真空热压法制备了两种铺层的C/AI正交层板(0/90/0)_s及(90/0/90)_s.在MTS NEW810上进行了一系列疲劳损伤及破坏试验.疲劳损伤的行为研究工作包括:以刚度下降为损伤参数对C/AI正交层板进行了降级应力分析,并由此来预计在△S_h以下,正交层板不会发生疲劳损伤累积.研究了C/Al正交层板在同一应力水平而不同应力范围作用下的疲劳响应,发现试样在疲劳损伤时其刚度下降值相近似,即疲劳破坏的门槛值依赖于所施加的应力水平.依据MMC对各种循环载荷的不同响应,基体的疲劳损伤状态在S-N平面上可分为三种不同的区域:无损伤区,损伤累积区和断裂区.利用扫描电镜及金相显微镜分别对其疲劳断口形貌、基体裂纹进行观察,对该正交层板的疲劳破坏行为进行分析及讨论.结果表明:C/Al正交层板的疲劳断口呈脆断型,其中主承力层(0°铺层)断口平齐,偏轴层(90°铺层)断口平齐最差,层间损伤形式有局部分层、界面连续开裂及复合丝之间基体开裂等三种形式;其疲劳破坏主导因素是层间局部严重损伤及主承力层中复合丝大量断裂由于其疲劳裂纹沿垂直于载荷方向迅速扩展,寻找适中的界面结合强度对改善C/Al层板的疲劳性能有很大影响.     

FATIGUE AT NOTCHES SUBJECTED TO REVERSED TORSION AND STATIC AXIAL LOADS

Reversed torsion with and without a superimposed end load has been applied to 1% Cr-Mo-V steel specimens containing sharp notches. Crack propagation was monitored by a sensitive d.c. potential drop system that measured crack depths between 25 μm and 0.6 mm from the root of the notch. Stress intensity factors do not satisfactorily correlate all the crack growth data but a strain intensity factor which is a function of material properties and notch plastic zone size shows a significant improvement and provides a single upper bound solution for both ambient and elevated temperatures. This solution permits designers to make safe lifetime assessments. At room temperature cracks initially propagate by mode II along the surface, and mode III radially but at low stresses crack growth is continued by mode I propagation. At higher stresses a transition to mode I cracking is avoided. Elevated temperature causes a brittle layer to form and in this case cracks initially propagate by mode I which then translates to mode III cracking at high stresses. Mode III thresholds are significantly higher than mode I thresholds but a constrained shear strain zone, as found at the root of notches subjected to torsion, permits the initiation and generation of a mode III crack. The application of an axial load enhances the mode III crack propagation rate since this increases the effective crack tip intensification factor.     

T300/QY8911十字叠层复合材料冲击损伤与破坏的实验研究

对T300碳纤维增强QY8911双马来酰亚胺树脂十字叠层复合材料的冲击损伤与破坏特性进行了实验研究。采用落锤(自由落体)冲击试验方法,测定了三类铺层结构板材的冲击破坏强度和冲击损伤能量门槛值;将冲击强度与破坏模式和静态三点弯曲情况做了对比。用宏、细观方法检测了冲击损伤特性。对低于门槛值的冲击动力学行为给出了分析模型。     

静载荷和疲劳载荷作用下 C/Al 正交层压板的力学响应

本文讨论静载荷及疲劳载荷作用下 C/Al 正交层压板的力学响应,并考虑损伤过程中的临界现象,以此作为结构设计准则的基础。对静载荷作用的情况:(1)90°铺层的门槛应变ε_(FPF)随着约束程度增加而增加,而且开裂后的行为也受约束程度的影响。(2)经历加载-卸载再重新加载至断裂的过程后,初始试样存在一个剩余永久变形,其损伤状态可以用刚度的变化来表征;而疲劳试样在加载-卸载过程中刚度变化很小,反映其损伤达到一个稳定的状态。对疲劳载荷作用的情况:(1)对于给定的应力比 R,试样会趋于与它所承受的 S_(max)最大值相应的 SDS 状态。循环应力范围的不断增大,会引起基体损伤的增加,从而重新建立新的饱和损伤状态。(2)对于每一损伤状态均有一对应的循环应变范围 Δε。在 SDS 状态下,Δε保持不变。(3)以刚度下降为损伤参数对 C/Al 层压板进行了降级应力分析,并由此来预计在ΔS_(sh)以下,层压板不会发生疲劳损伤累积。     

A NEW CRITERION OF FATIGUE STRENGTH OF A ROUND BAR SUBJECTED TO COMBINED STATIC AND REPEATED BENDING AND TORSION

Abstract Criteria of fatigue strength of a round bar subjected to combined static and repeated bending and torsion have already been published by Findley and Sines together with empirical formulas by Gough. However, it is only Sines'criterion, by which the fatigue limit under combined bending and torsion is calculated, when completely reversed and pulsating fatigue limits and mean stresses are known. The authors show that Sines'criterion does not conform strictly with experimental results and they correct Sines'criterion so that fatigue failure occurs when the octahedral shearing stress amplitude attains a material constant value which decreases not only in proportion to the octahedral normal mean stress, but also in proportion to the octahedral normal stress amplitude. Applying the authors'criterion to combined repeated bending and torsion, plus coexistent static bending and torsion, a design formula was derived. The formula was compared with experimental results of Gough.     

CUMULATIVE FATIGUE DAMAGE UNDER RANDOM LOADS

Abstract This paper presents a simple algorithm of hysteresis loop counting to make on-line data processing much easier. It involves a modification of the range pair counting method and the rain flow method and yields practically the same result as these methods. In addition, the applicability of the present method to cumulative damage estimation is examined in experiments on fatigue crack growth rates under stationary random loads and low cycle fatigue lives under stationary random loads together with non-stationary random loads such as seismically excited loads.     

缝编织物复合板冲击分层破坏的显微镜观察研究

就缝编多层织物复合板受冲击后分层破坏进行了细致的显微镜观察分析,揭示了复合板截面各区域内所形成的裂缝纹形态,对进一步探索纤维复合材料的抗冲击分层破坏性能具有重要意义。     

含静、动力约束的复合材料结构的优化设计

本文利用序列二次规划准解析法,解决了含几何角度变量和厚度变量的复合材料层板的结构优化问题.设计约束包括结构的位移约束,应力约束和固有频率约束.基于虚功原理,对有限元分析中刚度矩阵和几何角度变量成非线性关系的情况,给出了统一的应力,位移约束的灵敏度计算公式,对固有频率的导数计算也作了推导.计算结果表明,序列二次规划准解析法对于解决含静,动力约束的复合材料层板的优化设计问题,具有较高的计算效率;并且,在复合材料层板的优化设计中增加何几角度寻优(即层板直三维空间的最佳几何位置)能获得更为新意的减重效果.      

移动随机荷载作用下桥梁振动分析

为了研究移动随机荷载作用下桥梁的振动问题,首先利用虚拟激励法将随机荷载转化为确定性的简谐荷载,推导了桥梁的非平稳随机响应,包括演变功率谱和时变标准差;再将精细积分法扩展到求解移动简谐荷载作用下结构的动力方程,提出了协调分解过程来模拟荷载的连续移动.在数值算例中,研究了单跨及多跨桥梁的基本随机振动特性;讨论了桥梁模态之间的相关性和荷载之间的相关性对桥梁响应的影响.     

SHEAR LIPS ON FATIGUE FRACTURES OF ALUMINIUM ALLOY SHEETS SUBJECTED TO BIAXIAL CYCLIC LOADS AT VARIOUS R-RATIOS

An analysis is made of shear lip measurements as observed on fatigue crack surfaces of an aluminium alloy sheet material. It is shown that, for biaxial cyclic loads at stress ratios 1 and various R-ratios, shear lips were controlled by an equivalent intensity factor K_e=K₁F(λ,R). For crack growth in air the shear lip width t_s was approximately proportional to K²_e at t_s < t*_s= 2.5 × 10^?4 m and K⁴_E, at t_s > t*_s where t*_s is the critical value of the shear lip dimension. The initiation of shear lips and the orientation of crack growth for different parameters of the loading cycle are briefly considered in the discussion.