纤维增强复合材料剩余强度模型及寿命预测方法研究

发布时间：2020-07-17 03:34

【摘要】：纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)由于具有重量轻、比强度高、比刚度大、耐腐蚀、抗冲击、结构性能可设计性强、易于整体化成型等诸多优点而被广泛应用于航空航天、汽车、风电、船舶、建筑等众多重要工业领域。然而,在服役过程中由于受交变载荷及环境因素的影响,FRP通常会产生多种损伤模式,且不同损伤模式之间彼此诱发和相互耦合,导致其强度退化规律难以揭示,给FRP疲劳寿命的准确评估带来极大挑战。本文以不同载荷工况为主线,围绕FRP的剩余强度模型和寿命预测方法两个基本问题展开研究。主要研究内容及研究成果概述如下:(1)建立恒幅循环载荷作用下FRP的剩余强度模型。为揭示恒幅循环载荷作用下FRP的强度退化规律,首先分析和讨论了传统剩余强度模型在工程应用中普遍存在的局限性;然后,基于干涉分析理论和Weibull分布构建了两种典型的干涉模型:载荷循环次数—疲劳寿命干涉模型和循环应力—剩余强度干涉模型,并研究了它们之间存在的内在关联性;最后,推导出恒幅循环载荷作用下FRP剩余强度的概率模型,并运用碳纤维/环氧复合材料的疲劳试验数据验证了该模型的有效性。研究结果表明,与传统的剩余强度模型相比,所建模型具有严密的理论基础和较高的计算精度,不仅能够减少对试验数据和主观经验的依赖性,而且能够反映FRP剩余强度固有的分散性。(2)建立不确定性恒幅循环载荷作用下FRP的剩余强度模型。针对现有研究主要集中在疲劳可靠性评估和疲劳损伤累积两个方面,尚未涉及不确定性恒幅循环载荷作用下FRP的强度退化问题。为此,首先研究了不确定性恒幅循环应力和疲劳寿命之间的映射关系,提出了根据循环应力概率分布推断FRP疲劳寿命概率分布的方法;然后,基于剩余强度和剩余寿命取决于复合材料内部同一疲劳损伤状态的假设,建立了FRP剩余强度的概率模型;最后,利用所建模型分析了不确定性恒幅循环载荷作用下碳纤维/环氧复合材料的强度退化规律。研究结果表明,所建模型不仅能够描述剩余强度在同一个体内所具有的不可逆性,而且能够反映剩余强度在不同个体之间所具有的随机性。(3)建立随机循环载荷作用下FRP的剩余强度模型。探讨了传统剩余强度理论的适用范围,指出现有剩余强度模型大多仅适用于恒幅循环载荷或多级恒幅循环载荷等简单载荷工况,对随机循环载荷作用下FRP的强度退化规律无力描述。针对这一问题,首先考虑外部载荷的随机性特征,基于Miner累积损伤准则和全概率公式,推导出随机循环载荷作用下FRP的疲劳寿命模型;然后,考虑材料性能的分散性特征,基于概率统计原理和同损伤状态假设,建立了随机循环载荷作用下FRP剩余强度的概率模型;最后,利用所建模型分析了具有不同铺层方式的玻璃纤维/环氧复合材料的强度退化规律。研究结果表明,所建模型不仅具有形式简单、便于工程应用的特点,而且能够综合反映外部载荷的随机性和材料性能的分散性对FRP剩余强度演变规律的影响。(4)建立疲劳载荷和自然老化共存环境下FRP的剩余强度模型。为揭示疲劳载荷和自然老化共存环境下FRP的强度退化规律,首先引入环境综合因子来量化描述温度、湿度及光照辐射等环境因素对FRP自然老化过程的影响;然后,构建了自然老化环境下FRP的剩余强度模型,并运用玻璃纤维/环氧复合材料的自然老化试验数据验证了该模型的有效性;最后,考虑疲劳载荷的影响,结合具有“快→慢→快”发展趋势的退化轨迹模型,建立了疲劳载荷和自然老化共存环境下FRP的剩余强度模型,并分析了不同试验地点玻璃纤维/环氧复合材料的强度退化规律。研究结果表明,疲劳载荷对FRP剩余强度的影响主要表现为损伤效应,而自然老化对FRP的剩余强度具有双重影响:在早期主要表现为增强效应,在中后期则以损伤效应为主。(5)提出应力幅值和应力均值共同影响下FRP的寿命预测方法。为准确预测随机循环载荷作用下FRP的疲劳寿命,首先基于应力—寿命关系方程和Goodman等寿命图模型,建立了表征FRP疲劳性能的广义S-N曲面;然后,修正了传统的Miner累积损伤准则,使其能够反映应力幅值和应力均值对FRP疲劳损伤累积规律的影响;最后,考虑应力幅值和应力均值的随机性,基于修正的Miner累积损伤准则和全概率公式,提出了随机循环载荷作用下FRP的疲劳寿命预测方法,并利用玻璃纤维/环氧复合材料的试验数据验证了该方法的有效性。研究结果表明,纤维的铺设角度及铺设顺序对FRP的疲劳寿命具有显著影响,基体主要起固定纤维和传递纤维间载荷的作用。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33
【图文】：

概率密度函数,形状参数,分布概率,尺度参数

(b) β 对 Weibull 分布概率密度函数曲线的影响图 2.1 α 和 β 对 Weibull 分布概率密度函数曲线的影响 2.1(a)可知，若尺度参数 β 保持不变，则 Weibull 分布概率密度着形状参数α 取值的不同而发生变化。一般而言，当形状参数Weibull 分布近似于其它类型的概率分布。例如[165-166]：当 α =1时于指数分布；当 α =2时，Weibull 分布近似于瑞利分布；当 α布近似于对数正态分布；当 α =3.6时，Weibull 分布近似于正态Weibull 分布类似于逆 Gumbel 分布。由此可知，形状参数 α 控制密度函数曲线的形状。随着形状参数α 的变化，Weibull 分布能量的多种概率分布特征。 2.1(b)可知，若形状参数α 保持不变，则 Weibull 分布的概率密度参数 β 取值的不同而发生变化。一般而言，随着尺度参数 βeibull 分布的概率密度函数曲线沿着横坐标伸张或收缩。由此可有缩小和放大横坐标的作用，但不影响 Weibull 分布概率密度

干涉模型,疲劳寿命,循环次数,载荷

例如应力、应变、冲击、温度、腐蚀、磨损等。“有的抵抗相应载荷的性能指标，例如疲劳强度、刚度蚀性、抗磨损性等。析理论可知，材料或结构的可靠度可用两个具有相同面积来定量表示[156,170-171]。在实际工程中，对于承受结构，其疲劳可靠度通常可采用载荷循环次数—疲劳剩余强度干涉模型来计算。环次数—疲劳寿命干涉模型是指材料或结构在发生疲劳破坏之前所经历或承受的述材料或结构疲劳可靠性的最直接参量。在工程应用为时间的度量指标，则根据干涉分析理论可知，材料义为疲劳寿命 N 大于载荷循环次数 n的概率[172]。因此荷作用时，其所对应的载荷循环次数—疲劳寿命干涉进行阐述。

剩余强度,干涉模型,循环应力

纤维增强复合材料剩余强度模型及寿命预测方法研究2 循环应力—剩余强度干涉模型剩余强度是表征材料或结构承载能力的重要性能指标，它反映的是材料给定的服役时间内或载荷循环次数下，所具有的抵抗外部载荷的能力。用中，若以载荷循环次数 n作为时间的度量指标，则根据干涉分析理论或结构的可靠度可被定义为剩余强度 r ( n )大于循环应力 S 的概率[173]。RP 承受恒幅循环载荷作用时，其所对应的循环应力—剩余强度干涉模型理可用图 2.3 进行阐述。

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