复合材料寿命预测

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1、复合材料的寿命影响复合材料使用寿命的因素可以分为两类，一是内在因素，如纤维、基体以及界面等的强度和刚度；因制造工艺而使得复合材料内部存有的杂质，断头纤维，基体中的气泡，裂纹以及界面结合不全等缺陷。二是外在因素，如外加疲劳载荷的大小、应力比及频率，环境温度，湿度等。热I古I性树脂复合材料在环境的影响下可发生如下的不可逆变化：由于湿热老化作用树脂基体和纤维/基体界面发生破坏和削弱，温度变化产生热应力损伤。由于吸湿结晶化而产生的裂纹扩展，进一步的树脂交联（后固化可逆变化也是由湿热作用引起的（纤维/树脂界面的脱粘，基体的降解，

2、湿热应力的转移）。目前还不可能完全定量估算环境对复合材料的影响，更合适的办法是用基于对一般过程的近似描述得来的半经验模型。对于无负荷条件下，暴露在环境中的热固性复合材料，假设增强过程和损伤是相互独立地，下列的公式可以描述不可逆的复合材料的强度变化：S=So+r

3、（l・em）+pin（l+at）S:复合材料老化t小时后的强度；So：复合材料的初始强度；n：材料的固化程度参数；x：材料和外部环境参数；t：老化时间;P：材料抵抗裂纹扩展能力参数；a：外部环境侵蚀性参数小卩与材料的特性有关，九、a可通过一系列的人工气候老化实验

4、来测定。在一般环境，复合材料受外界疲劳载荷作用后，材料内部损伤不断累积，直至最后断裂，但在此过程屮不产生如金属材料那样控制整个结构疲劳性能的一条主裂纹，而是产生基体裂纹，界面脱胶，分层和纤维断裂（如图所示），以及由它们相互作用而形成的诸多破坏形式。在传统的复合材料寿命分析模型中，反映疲劳载荷与寿命之间关系的曲线模型通常分为两类，一类是反映外加应力与疲劳寿命之间关系的曲线，称s—N曲线或Wohler曲线；另一类是反映材料应变与疲劳寿命之间关系的曲线，称e-N曲线。这两类寿命曲线因木身的肓观性、简易性而得到广泛应用。一条完

5、整的S—N曲线略呈横'S'形，可分为三段：低周疲劳区(LCF),高周疲劳区(HCF)和亚疲劳区(SF),其屮HCF在对数坐标系中几乎是一条直线。图中Se对应材料的疲劳极限。为获得FRP的S—N曲线，诸多研究人员从理论、试验以及二者相结合等不同角度，提出众多模型。其中，较受关注的有ReifsniderK.L.提岀的寿命模型KSbN=l公式屮，K,B为材料常数，S是外载最大值，N是疲劳寿命;Hwang口Han提出的双参数S-N曲线方程N=[B(1-S)]1/C式屮：B,C是材料参数；S为加载应力与强度极限Z比。该方法需要大

6、量的试验数据，并不关注复合材料结构在疲劳过程中实际损伤机理形式，只能对指定工况下、特定类型的复合材料结构疲劳寿命进行预测。该模型的建立是基于层合板疲劳性能，属于宏观唯象寿命预测模型。e-N曲线取材料在疲劳载荷下的应变£和疲劳寿命Z间的关系来描述复合材料疲劳行为，大体形状类似于S-N曲线。疲劳寿命图用应变£作为描述疲劳寿命的参量，它划分为三个区域：静强度破坏区，由层合板的拉伸极限应变控制；疲劳极限区，由基体的破坏应变控制；疲劳损伤扩展区，取决于各种损伤的扩展行为。I区：静強度【工纤维随机断裂11区：迫化区肚体开裂.脱胶、

7、分层、纤维断裂iii区：痣为极附区无裂纹或裂纹不扩展logN另外，还有疲劳累积损伤模型。该模型的关键在于选择何种损伤变量来描述复合材料的疲劳损伤状态和发展。根据损伤变量选择的不同，该模型可分为两类：选择宏观上可测量的参变量来描述损伤，以此分析疲劳载荷作用下复合材料层合板的损伤扩展，主要考虑疲劳过程中刚度或强度的退化，认为使结构破坏的临界载荷随疲劳循环次数的增加而降低，对毎种特定复合材料层合板都需通过一定数量的试验来确定其模型中所需的材料参数，这类模型包括：剩余强度衰减模型、剩余刚度衰减模型、剩余疲劳模量衰减模型等。采用

8、一个或多个损伤变量来描述疲劳过程内部损伤的程度及结构性能退化，定量阐述疲劳过程中实际损伤累积。