纤维增强复合材料的力学行为与多轴疲劳性能研究

发布时间：2020-10-17 08:11

　　 纤维增强复合材料因其良好的比强度、比刚度、耐腐蚀和抗疲劳性能,越来越广泛地应用于航空航天等工业结构中。复合材料结构设计及应用过程中,多数情况下需要对其多轴失效行为和机理进行更加精细的分析。为了最大程度地获益于这类先进的各向异性材料,准确理解和预测它们在多轴静态和疲劳载荷下的力学行为尤显重要,因而本文对此进行了深入研究。首先开展了唯像学强度准则的评估分析,讨论了不同强度准则的预测精度和有效性。然后进行了玻璃/环氧复合材料多轴载荷下的静力与疲劳试验研究,分析了材料的多轴力学行为及失效机理。最后根据纤维增强复合材料的失效特点提出了新的唯像学强度准则,并基于此静强度准则发展出新的多轴疲劳寿命预测模型,根据多轴应力状态试验数据,验证了本文模型的适用性和可行性。全文的主要工作和研究成果如下:(1)总结了复合材料唯像学强度准则统一形式,进行了分析与评价。根据文献试验数据绘制了平面组合应力状态下的各强度准则失效包络线,阐明了各强度准则失效包络线在不同应力象限的变化特点。讨论了强度准则的交互应力作用系数F_(12)对强度准则失效包络线的影响。采用多组复合材料偏轴与双轴加载试验数据,对4种代表性唯像学强度准则的预测能力进行了对比分析与客观评价。(2)开展了玻璃/环氧复合材料多轴载荷下的力学性能试验研究。进行了单向和平面机织(平纹、斜纹)玻璃/环氧复合材料的偏轴拉伸试验;设计并制备了平纹布层合板双轴加载十字型试样,进行了4种几何形状的十字型试样在不同双轴载荷比下的双轴拉伸试验;针对玻璃纤维短切毡增强复合材料进行了厚向压缩与面内拉伸组合加载试验研究,分析了不同压头尺寸及厚向压缩载荷对面内拉伸失效应力的影响;完成了平纹布层合板偏轴拉-拉疲劳试验。(3)深入研究了玻璃/环氧复合材料层合板多轴载荷下的力学行为及失效机理。研究结果表明:(i)偏轴弹性及强度性能随偏轴角不同变化显著;偏轴角为0°和90°时,偏轴弹性耦合系数及耦合柔度系数为零,即无偏轴各向异性影响;平面机织玻璃/环氧复合材料在偏轴角为45°时的耦合系数也为零;平面机织层合板在偏轴拉伸载荷下的失效模式主要表现为纤维(布)断裂、分层并伴随“颈缩”现象,断面倾斜角与偏轴角不重合,与单向布层合板的失效模式不同。(ii)不同几何形状和双轴载荷比对平纹布层合板十字型试样的中心测试区应力集中系数和承力系数影响较大;十字型试样的失效应力低于单轴材料强度,存在双轴加载强度弱化的现象;十字型试样失效形式主要是中心测试区和加载臂根部发生破坏——纤维(布)断裂和分层;平纹布层合板不同的叠层构型,细观失效机理会有所不同。(iii)玻璃纤维短切毡增强复合材料厚向压缩载荷下的面内拉伸失效应力随着厚向压缩应力的增加呈非线性降低;不同厚向压缩载荷时,较大压头尺寸的组合加载条件下试样的失效模式表现为“楔形”断裂。(iv)玻璃/环氧平纹布层合板偏轴拉-拉疲劳寿命达到N_f=10~6次范围内S-N关系(对数关系)几乎保持线性变化;偏轴拉-拉疲劳试样的失效模式与偏轴拉伸时类似,但分层和“颈缩”现象更为明显。(4)总结了玻璃/环氧复合材料层合板宏、细观失效模式与损伤机理,分析了纤维和基体承担载荷的能力差异,提出了一种新的纤维增强复合材料唯像学强度准则。根据基本强度参数及相关试验,计算获得了准则模型中的各项应力作用系数。采用玻璃/环氧复合材料层合板的偏轴和双轴拉伸试验数据以及其他几种材料的多轴加载试验数据,建立了本文强度准则的预测曲线,并与4种代表性唯像学强度准则进行对比分析,验证了本文模型在预测纤维增强复合材料多轴强度的适用性和可行性。(5)基于唯像学静强度准则模型和单轴疲劳寿命曲线,提出了一种新的多轴疲劳寿命预测模型。建立了疲劳强度的参照表达式,根据疲劳寿命曲线计算获得了疲劳曲线的逆反斜率,并给出了偏轴疲劳寿命预测模型表达式。本文模型对多轴疲劳载荷作用下平纹玻璃/环氧复合材料的疲劳寿命预测结果基本落在±200%寿命分散带以内,表明了本文提出的多轴疲劳寿命预测模型对纤维增强复合材料多轴疲劳寿命具有良好的预测能力。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

win 准则（1979）则[23]与 Tsai-Wu 准则类似，只是给定了强度系数 F12的取值。2 2 21 2 121 2 1 22 212 122 1c t c tt c t c t c t ct c t cX X Y YX X Y Y X X Y Y S X X Y YS -Stratton 准则（1994）atton 准则[24]由正应力的一次项、剪应力的二次项和正应力相互作用项描述失效包络空间，平面应力状态下的表达形式为21 2 1212 1 2212B1X Y S 强度系数，通过偏轴或双轴加载试验测定。唯像学强度准则的应用情况进行文献引用次数分析。图 1.1 是各强次数对比，图中统计数据来源于 Google Scholar 的检索结果。从图（2670 次）、Hoffman 准则（589 次）、Tsai-Hill 准则（495 次）、Noin 准则（112 次）5 个强度准则的引用次数排名靠前，目前的研究热的引用量尤为突出。

南京航空航天大学博士学位论文12 12 S缩与剪切组合失效： 12111 121 0cH H H12为压缩、剪切作用参数，根据材料性能决定，可分别与纵向压缩值相同。k 准则（1998） Mohr-Coulomb 断裂理论和损伤物理机制的基础上建立了一套区分纤维损伤的复合材料强度理论[39,40]。准则提出了纤维间失效作用面，可以预维间失效模式：ModeA、Mode B 和 Mode C，如图 1.2 所示，模式 A 表坏，模式 B 代表剪切和弱压缩产生的破坏，模式 C 表示剪切和强压缩效反映了纤维间失效机制，但 Puck 准则表达式非常复杂，需要测定的前在工程中应用较少。

1c cY Y 控失效（NUb）：212 212 1221S S 控失效（NUc）：222 1212t tY Y 212EG ，为横向模量与剪切模量的比值。上基于物理机制失效准则的应用情况进行文献引用次数分析。图 1.3 是的引用次数对比（最大应力/应变准则应用广泛，但引用出处各异或应用因而未列入统计）。图中统计数据来源于 Google Scholar 的检索结果，数据异常而选用百度学术（http://xueshu.baidu.com/）的引用结果。从图（1569 次）、Chang-Chang 准则（970 次）、Hashin-Rotem 准则（938 次）tze-Freund 准则（140 次）5 个强度准则的引用次数排名靠前，目前的研 准则的引用量尤为突出。
【参考文献】

相关期刊论文 前8条

1 蔡登安;周光明;曹然;王校培;;双轴载荷下复合材料十字型试样几何形状对中心测试区系数的影响[J];复合材料学报;2015年04期

2 蔡登安;周光明;王新峰;黄翔;曹然;;纤维增强复合材料双轴强度研究进展[J];宇航材料工艺;2014年04期

3 姚卫星;宗俊达;廉伟;;监测复合材料结构剩余疲劳寿命的剩余刚度方法[J];南京航空航天大学学报;2012年05期

4 黄争鸣;张华山;;纤维增强复合材料强度理论的研究现状与发展趋势——“破坏分析奥运会”评估综述[J];力学进展;2007年01期

5 戚东涛;张耀亨;程光旭;段权;;纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳研究进展[J];力学进展;2006年02期

6 戚东涛,程光旭,魏生桂;纤维缠绕复合材料管道双轴疲劳寿命预测研究[J];压力容器;2005年10期

7 戚东涛,程光旭,段权,魏生桂;基于临界平面法的复合材料多轴疲劳损伤参量研究[J];西安交通大学学报;2003年11期

8 任家陶,李冈陵,豆志武,赖伟栋;双向拉伸试验的进展与钛板双向拉伸的强化研究[J];实验力学;2001年02期

本文编号：2844524