复合材料损伤机理整理_final

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1、一、立项依据与研究内容：1.立项依据：1.1研究意义与目的近几十年以来，随着科学技术的迅速发展，对材料的性能提出了更高的要求。当前高技术材料一般分为:商技术陶瓷、岛技术聚合物和复合材料三种类型。巾于复合材料可以根裾工程结构对性能的要求来进行设计，其发展速度和规模在近几年尤为迅猛。一些先进的复合材料己经在航空、航天、机电、化工、能源、交通运输以及生物、医疗器械等领域屮得到了广泛的应用。可以说复合材料己经深入到了我们生活的方方而而。在航空领域，由于飞机结构设计和材料性能要求的不断提商，复合材料在飞机上的比例不断增加。R前

2、，波787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%（如图1所示）。［陈绍杰，复合材料技术与大型飞机.航空学报，2008.29（3）:p.605-610］先进战斗机上复合材料用S:基本上在飞机机体结构重砧的30%左右，阁2为国外新一代军用飞机上复合材料的用砧。在航天方而，复合材料也被广泛用于火箭发动机壳体、航天飞机的构件、卫星构件等。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000〜35OCTC,为了提高效率还要在推进剂屮掺入固体粒子，发动机喷管的工作环境是高温、复合材料

3、能承受这种工作环境:化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，因此固体火箭II前只要碳/碳人造卫星每减轻Ikg,运载火箭可以减轻1000kg,因此用复合材料制造的卫星有很大的优势。此外，复合材料还被广泛用于化学工业、电气工业、建筑工业、机械工业、体育用品等多个方而。我国从上世纪七十年代就升始了先进复合材料方而的研究工作，到八十年代时，我国已将复合材料应用技术列入重点发展领域，通过三十多年的发展，我国航空复合材料技术应用水平己有了大幅度的提高。目前我国军用飞机上复合材料用量已达到6%以上，己基本实现从次承力构件（如垂直安定而、水平尾

4、翼、方向舵、前机身等）到主承力构件（如机翼、直升机旋翼等）的转变［王慧杰等.我国航空复合材料技术发展展望.第九界全国复合材料学术会议论文集，1996J-61。图1复合材料在波音787上的应用图2军机上使用复合材料的应用但是，复合材料也存在其本身的不足，一方而，复合材料的损伤机理与一般的金属材料相差甚远，另一方面，合材料结构在制造和装配过程屮不可避免的产生A部缺陷和损伤。虽然这些局部损伤一般不会立即导致整个结构的破坏，但是它往往对结构的安全构成很大的潜在威胁，若不能即时发现，将导致结构的迅速破坏，从而降低使用寿命甚至结

5、构失效，严重的还会导致突发性的灾难事故。2001年11月12日，一家美国航空公司的587号航班起飞儿分钟后坠毁，机上全部乘客及机组人员全部遇难。由于这架300-600型空屮客车的碳合材料尾翼和方向舵老化从机身上脱落。2005年3月6円，961号班机飞行后开始剧烈的晃动，后来迅速下坠。后杳明是由于碳合材料制成方向舵突然断裂。由于复合材料具有显著的各向异性的特性，在损伤、失效等方而表现为机理复杂、现象多样、判别困难，特别是低速冲击下，SZ合材料的损伤微小，潜在危险很大。S合材料的损伤监测和识别方法是复合材料结构安全运行的

6、基础和前提，也是其性能评估的依据。目前用于SZ合材料的传统无损检测方法非常耗时，同时还不具备实时在线大面积监测的功能，且火多数设备fi杂，成本高，监测类型单一，对微小损伤还不能很好地检测到。总体来说，依靠单一的检测手段难以对大型的复合材料结构全而分析以及缺陷的准确定位，这些都迫切需要发展一种精确损伤识别方法和在线整体监测手段，结合工程实践、生产需要、光纤传感、可变形嵌入式电子器件等现有先进的监测方法以及复合材料特性、结构与载荷特性，开展新型复合材料损伤监测和识别方法的研宄，这对改进对大型复合材料结构生产的质延控制与管

7、理，提高生产效率和保障人身安全具有重要的理论价伉和现实意义。1.23内外研究现状复合材料的损伤机理、疲劳破坏特征更加复杂，近年来针对复合材料层间剥离、裂纹和纤维断裂等问题，许多学者都进行了研宄，包括对损伤的动力学建模、以及对复合材料的静、动力学特性分析损伤机理及物理模型的研宄现状研究损伤的方法可以分为细观方法和宏观方法（即唯象学方法）。细观方法是根据材料的微细观成分（如基体、颗粒、空洞等）单独的力学行为以及它们的相互作用来建立宏观的考虑损伤的本构关系，进而给出完整的损伤力学问题提法。细观模型为损伤变:w:和损伤演化赋

8、予了真实的儿何形象和物理过程，深化了对损伤过程本质的认识。但这种通常称为“自适应”方法的主要困难是需要经过许多简化假设才能从非均质的微细观材料过渡到宏观的均质材料。由于损伤机制非常复杂（例如多重尺度，多种机制并存及交互作用等），人们对于微细观组成成分及其作用的了解还不够充分，细观方法的完备性和实用性还有待于进一步的研究和发展。宏观的即唯象的方法