复合材料高周弯曲疲劳试验与寿命预测

利用一阶弯曲共振现象,开展了复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳试验。为了取代传统的金属疲劳理论,根据复合材料疲劳损伤渐进扩展的特点,发展了新的数值方法应用于复合材料的疲劳分析。研究局部疲劳损伤模型和周期跳跃技术,开发了复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳的半解析法Matlab疲劳损伤分析程序;另一方面,通过开发UMAT子程序,实现了疲劳损伤模型和周期跳跃技术在商业有限元软件ABAQUS中的应用。分别使用半解析法和有限元法分析复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳的损伤累积破坏过程,预测了其高周弯曲疲劳寿命,数值预测结果与试验结果较好吻合。     

纤维增强复合材料胶接结构疲劳特性研究进展

纤维增强复合材料胶接结构的疲劳特性与纤维、环氧树脂以及胶黏剂的特性紧密相关,为了开展复合材料胶接结构的疲劳性能研究,本文提出适用于复合材料胶接结构的疲劳分析方法,完成复合材料胶接结构的抗疲劳设计,从复合材料层压板、层间以及胶接界面等研究对象的疲劳特性分析方法入手,全面综述了国内外学者在复合材料结构、金属胶接结构以及复合材料胶接结构的疲劳特性及寿命预测方法等方面的研究进展.结果表明:采用S-N曲线拟合得到寿命预测模型对复合材料胶接结构进行寿命预测是行之有效的,以此为依据开发基于物理机制的有限元寿命预测模型可以对疲劳裂纹扩展及疲劳特性进行分析,对于层间损伤和界面损伤,多采用粘聚区模型进行模拟分析,可以为复合材料胶接结构的疲劳失效分析方法的建立提供指导.     

TC4钛合金焊接接头疲劳性能试验研究

对TC钛合金焊接试样进行了低周疲劳试验，在应变控制试验条件下，得到了焊接接头疲劳裂纹萌生寿命。选取弹性模量的变化间接反映焊接接头中的损伤，对焊接结构疲功损伤变化规律进行了探讨并建立了相应的应变－寿命预测方法，研究结果为航空发动机焊接结构寿命的预测提供了参考依据。     

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.     

复合材料层合板冲击后压-压疲劳寿命预测方法

针对冲击后复合材料层合板, 发展了含冲击初始损伤层合板的压-压疲劳寿命预测方法。该方法基于无损单向板的力学性能和疲劳特性, 对不同铺层参数、 不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为消除人为假设冲击损伤造成的误差, 对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析, 即把冲击后层合板的实际损伤状态直接作为疲劳分析的初始状态。同时基于逐渐损伤思想, 推导了含冲击初始损伤层合板的应力分析过程, 建立了相应的三维逐渐累积损伤模型, 开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序, 为复合材料层合结构的抗冲击设计及其疲劳损伤扩展行为研究提供了较好的技术平台。      

多轴载荷下缺口件的疲劳寿命估算方法

提出了一种多轴载荷下缺口件的疲劳寿命估算方法。该方法基于临界平面理论,计算出缺口件各部位的多轴疲劳损伤参数,以损伤参数最大的部位为缺口件的多轴疲劳危险点。根据临界距离思想,提出了热点法和线法的临界距离的计算方法,采用热点法和线法考虑缺口件疲劳危险点附近损伤梯度的影响,以临界距离修正的损伤参数计算多轴载荷下缺口件的疲劳寿命。采用SAE1045钢缺口件的多轴疲劳试验对该文提出的寿命估算方法进行评估和验证,结果表明：该文所建立的寿命预测方法具有较好的预测能力,预测结果大部分分布在试验结果的3倍分散带之内。     

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。     

考虑三维应力的复合材料层压板疲劳寿命分析

由于层间应力的存在,受面内载荷作用的复合材料层压板实际处于多轴应力状态。构建了由刚性元、弹簧元和二维板元构成的准三维有限元模型,结合单向板在典型应力状态下的疲劳试验结果和疲劳损伤模型,发展了一种考虑三维应力的、预测任意铺层多向层压板疲劳寿命的分析方法,包括应力分析、静力和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化3个主要部分,能够模拟面内和层间损伤产生、发展直至层压板整体破坏的完整过程,并得到疲劳寿命。对2种T300/QY8911多向铺层板进行了实际计算,寿命预测结果与试验结果吻合较好。      

复合材料单钉接头疲劳累积损伤破坏分析

基于时间增量原理 , 推导了层合板接头疲劳加载累积损伤应力2应变分析的虚功方程。同时 , 引入Hashin三维疲劳失效准则进行材料的损伤判定 , 并结合建立的疲劳加载材料退化模型、 4种基本损伤机制相互关联作用的材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据 , 建立了层合板接头疲劳载荷作用下三维累积损伤分析的寿命预测方法。最后 , 对层合板接头拉2拉疲劳载荷作用下的损伤累积扩展与失效规律进行了仿真分析 , 并与试验结果进行了对比 , 结果表明 : 本文中建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。      

基于背应力功的疲劳能量模型及其在轮槽构件寿命预测中的应用

基于局部应力-应变法与疲劳损伤能耗结构,以疲劳过程中背应力塑性功累积为基础,建立了一种新的缺口构件疲劳寿命预测能量模型,并将其应用于某型汽轮机轮槽结构件的疲劳寿命预测.通过与试验结果相比较,初步验证了模型的预测精度(预测寿命与试验寿命误差小于20％).此外,还进一步将上述能量模型与传统疲劳寿命预测能量方法进行了比较.结...     

Fatigue life prediction of woven composite laminates with initial delamination

An engineering approach for fatigue life prediction of fibre‐reinforced polymer composite materials is highly desirable for industries due to the complexity in damage mechanisms and their interactions. This paper presents a fatigue‐driven residual strength model considering the effect of initial delamination size and stress ratio. Static and constant amplitude fatigue tests of woven composite specimens with delamination diameters of 0, 4 and 6 mm were carried out to determine the model parameters. Good agreement with experimental results has been achieved when the modified residual strength model has been applied for fatigue life prediction of the woven composite laminate with an initial delamination diameter of 8 mm under constant amplitude load and block fatigue load. It has been demonstrated that the residual strength degradation‐based model can effectively reflect the load sequence effect on fatigue damage and hence provide more accurate fatigue life prediction than the traditional linear damage accumulation models.     

船舶工程焊接接头完整性评估与疲劳寿命预测技术综述

介绍了船体结构中含缺陷的焊接接头完整性评估以及疲劳寿命预测方法,对结构完整性评估的K准则、COD准则、J积分准则、SINTAP/FITNET安全性评定方法以及评定流程、国内外标准进行介绍。并对焊接接头的疲劳强度影响因素,如平均应力、残余应力以及接头几何形状应力集中等进行了分析;介绍了焊接接头疲劳寿命预测的常用方法,如基于名义应力的评估方法、基于断裂力学的评估方法、基于损伤力学的评估方法以及其它疲劳评估方法等。此外,还对基于断裂力学法建立的焊接残余应力与疲劳裂纹扩展寿命之间的函数关系进行了介绍,该方法实现了对含残余应力的焊接结构疲劳寿命的精确预测。     

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     

Effect of fatigue loading on the modal properties of composite structures and its utilization for prediction of residual life

The design of composite structures for fatigue loading utilizes S-N curves to predict the fatigue life based on coupon testing. Due to the complex manufacturing process, the initial fabrication inconsistencies may cause the predicted number of cycles to failure to be off by one or two orders of magnitude. An experimental method is developed to predict the residual fatigue life of composite structures and continuously refine the prediction during the service life of these structures. Global effects on modal parameters, natural frequencies and damping ratios are investigated during the fatigue process. The Random Decrement signal processing technique is used. Changes of modal parameters are correlated with the prediction of fatigue failure life for selected graphite/epoxy composite specimens. The nature of the proposed method lends itself to real-time applications, especially, in service structures, as a nondestructive indicator.     

含冲击损伤的复合材料层合板寿命的研究进展

本文根据近二十年来国内外有关含冲击损伤复合材料层合板疲劳研究的文献,从试验方法和理论分析方法两方面综述了其研究方法的进展,分析了各寿命预测模型的特点和存在的问题,并对今后的发展趋势进行了展望。     

腐蚀环境下飞机结构疲劳寿命的分析方法

依据海军现役飞机的腐蚀环境特点及结构件腐蚀损伤深度拟合规律，采用应力场强法和局部应力应变法分别对疲劳缺口系数Kf及疲劳寿命计算模型进行了分析，提出了一种腐蚀环境下飞机结构疲劳寿命的评定方法。该方法以室温大气环境下的寿命评定结论为依据，考虑了结构件腐蚀损伤后潮湿空气、盐雾、盐雾＋SO2等环境介质对疲劳寿命的影响，并结合国产某型飞机机翼前梁缘条腐蚀损伤部位的疲劳寿命及剩余寿命估算实例进行了分析。     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析

以某5 MW特大型风力机为例,提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷,对风力机塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测,该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明,该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题,相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。     

复合材料疲劳可靠性研究

将复合材料疲劳可靠性研究领域划分为载荷／环境谱的编制、疲劳性能、疲劳寿命估算及疲劳可靠性分析与设计四个方面,并分别简述了各自方面的研究进展。     

Thermal residual stresses in FSS layer-embedded composite plates in co-cure bonding

The residual stresses occur in the frequency selective surface (FSS)-embedded composite structures after co-curing due to mismatch between the coefficient of thermal expansions between the FSS and composite materials. It is well known that residual stress has a great influence on the strength and fatigue life of the FSS-embedded composite structures. Numerous researches have been reported about residual stresses in the composite structures. However, studies on the residual stresses in the FSS-embedded composite structure have not been widely investigated. Therefore, in this study, the thermal residual stresses of FSS-embedded composite structures were analyzed using finite element analysis, with considering the effect of FSS pattern and size. Various FSS patterns, such as square loop, gridded square loop, and double square loop, are considered in the analysis. The effects of dimensional change of design parameters of FSS pattern on the residual stresses in the hybrid composites were also investigated.