含冲击损伤复合材料层合板疲劳试验研究

针对两种不同铺层顺序的T300／BMP316复合材料层合板，进行了低速冲击后不同应力水平下的等幅拉一拉疲劳试验。结果表明：低速冲击后，材料疲劳寿命的对数与应力水平成线性关系；在低应力水平下，层合板的主要疲劳损伤模式为分层，而在高应力水平下，其主要疲劳损伤模式为纤维断裂；随着疲劳应力水平的降低，层合板内损伤面积增加且刚度退化幅度变大。     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的2.5维机织复合材料,建立了疲劳寿命预测方法.该方法主要包括单胞模型、疲劳失效判定准则和材料性能退化方法3部分.选取单胞模型为研究对象,利用三维有限元技术进行应力分析;引入改进的三维Hashin疲劳失效准则和Mises准则作为纤维束和树脂基体的疲劳失效判据;采用刚度性能突降准则描述疲劳失效后的材料性能,采用考虑纤维体积分数影响的剩余刚度和剩余强度退化模型描述失效前材料的性能.通过疲劳寿命预测值与试验值的对比,验证了疲劳寿命预测方法的有效性.研究表明:经向拉-拉疲劳寿命随经纱纤维体积分数增大而增加,纬向拉-拉疲劳寿命受纬纱纤维体积分数影响较小.      

环境温度对碳纤维/ 聚醚醚酮复合材料拉伸性能及疲劳寿命的影响

通过拉伸实验获得碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)拉伸性能随温度的变化关系,并利用扫描电子显微镜观察断口形貌,研究分析了材料高温损伤机理。结果表明,随着环境温度的升高,碳纤维/PEEK的弹性模量与拉伸强度显著降低,在温度达到220℃时,分别下降89.20%和71.18%;断裂伸长率持续上升,在220℃时达到8.84%。弹性模量与断裂伸长率在T_g附近变化显著,主要原因是高温下纤维/树脂界面脱粘和树脂由玻璃态转化为高弹态后拉伸性能的显著变化。借助有限元方法计算由该材料制成的驾驶舱方向舵踏板在不同温度下的疲劳寿命,得出疲劳寿命随温度的升高而下降。在Coffin-Manson方程和通用斜率方程的基础上总结得出该材料疲劳寿命与温度的关系。     

高性能玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-压疲劳行为

对LTX1240玻璃纤维/环氧复合材料开展拉-压疲劳试验,绘制S-N曲线进行疲劳寿命预测,利用扫描电镜观察疲劳试样断口形貌,分析其在拉-压循环载荷作用下的失效模式。结果表明:LTX1240玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的条件疲劳极限为278 MPa;失效过程为树脂基体最先破坏,接着界面分层乃至纤维拉伸、剪切破坏,它们相互作用形成了弥散损伤区并据此扩展发生材料断裂。     

2.5维机织复合材料的纬向力学性能试验

通过室温(20℃)及高温(180℃)静态拉伸及拉 拉疲劳试验,获得了25维树脂基机织复合材料在不同温度下的力学性能及拉 拉疲劳寿命。基于宏观试验,探讨了材料在静载及拉 拉疲劳载荷作用下的破坏模式和失效机理,对比了材料在疲劳载荷作用后的剩余强度与静强度的关系,之后分析了温度对材料静态力学性能及疲劳寿命的影响。结果表明:在20~180℃温度范围内材料的纬向模量对温度不敏感,但纬向强度及疲劳寿命随温度的升高而显著下降。在高温高应力水平（高于80%静强度）下材料的纬向疲劳寿命非常短(小于104次循环),但当应力水平仅下降2%后,材料的纬向疲劳寿命趋于106次循环。另外,高温下材料的剩余强度大于高温静强度。      

碳/碳复合材料室温和700 ℃面内剪切疲劳试验

为了研究高温环境碳/碳复合材料面内剪切疲劳特性,以含防氧化涂层的[±45] 4S 铺层碳/碳复合材料为研究对象,开展了 室温和700 ℃下的拉/拉疲劳试验。结果表明：碳/碳复合材料面内剪切剩余刚度变化呈横向的“S”形,对比室温环境,在700 ℃下 碳/碳复合材料面内剪切疲劳在中期损伤时的刚度降低趋势更为明显,在室温时发生疲劳断裂的剩余刚度为初始刚度的82%,而 在700 ℃下则降低至初始刚度的68%;在室温环境下碳/碳复合材料在33%和66%循环数后的面内剪切剩余强度分别为初始强度 的95.20%和85.70%,当温度升高为700 ℃时,分别为96.43%和85.59%。基于损伤因子的刚度和强度表征,考虑温度、应力水平的 影响,建立了碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,较好地拟合了试验数据,高精度地获得了室温和700 ℃下碳/碳复合材料面 内剪切疲劳剩余刚度、剩余强度理论曲线,为后续复杂碳/碳复合材料结构件疲劳寿命预测提供了重要数据。     

随机疲劳可靠度预测的状态分析方法研究

 两级载荷下的疲劳剩余寿命试验结果显示,在没有疲劳失效的情况下,若先施加低应力,则在后续的高应力下剩余寿命的标准差与该高应力下原始寿命的标准差相比变大;若先施加高应力,则在后续的低应力下剩余寿命的标准差与该低应力下原始寿命的标准差相比变小。根据两级循环载荷作用下剩余疲劳寿命分布规律的实验规律,以描述剩余寿命分布变化的数学模型为基础,提出了一个根据载荷历程作用下结构/ 零件状态变化预测随机载荷下疲劳可靠度的方法。使用该方法,可以根据已知的材料或零件的原始P-S-N 曲线,借助剩余寿命分布和载荷循环数—疲劳寿命干涉分析计算随机载荷作用下的疲劳可靠度。     

铺放参数对复合材料厚度方向力学行为影响

为了探究铺放工艺参数的变化对复合材料厚度方向力学行为的影响,通过面外拉伸实验分析了铺放压力与铺放温度对复合材料厚度方向面外拉伸强度与拉伸模量的影响,并对不同铺放工艺的试件失效模式进行了分析。试验结果表明,增大铺放压力会减小层间富树脂区厚度,使复合材料面外拉伸强度不断增大,当铺放压力为0.225 MPa时取得实验组最大值,与铺放压力0.075 MPa相较强度提升约13.1%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合转变为纤维断裂;铺放压力的进一步增大会挤压层间树脂,改变树脂富集形态,使面外拉伸强度下降,剥离失效模式再度出现。实验用复合材料的适宜铺放温度为30℃,过高的铺放温度会导致孔隙率的上升,使复合材料的面外拉伸强度严重下降,裂纹扩展失去规律性;与铺放温度25℃相比,铺放温度为45℃时复合材料面外拉伸强度下降达19.2%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合失效转化为单一的纤维层剥离失效。     

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究.首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究.结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高.这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效.     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

C/SiC复合材料紧固件拉-拉疲劳行为研究

为了研究C/SiC复合材料紧固件的拉-拉疲劳行为,在疲劳应力比为0. 1、加载频率为10 Hz的条件下对不同应力水平的疲劳寿命进行统计。采用断口分析和金相分析方法对C/SiC复合材料螺钉疲劳破坏的细观机制进行了研究。结果表明:C/SiC复合材料螺钉拉-拉疲劳包含拉断疲劳及拉脱疲劳两种失效形式;基于双参数幂指数形式的寿命模型,两种失效形式的疲劳寿命经验公式相似;C/SiC复合材料螺钉的疲劳极限约为拉伸强度的65%～70%,若最大疲劳应力大于0. 7σmax,其材料损伤随循环次数增多而明显增大。     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

复合材料桨叶结构损伤演化模型

与金属材料桨叶相比,复合材料桨叶因具有更加优良的抗疲劳性能而被广泛应用到直升机旋翼上。但由于复合材料破坏机理复杂,疲劳性能分散,影响因素众多,导致复合材料桨叶疲劳现象尚处于研究探索之中,在复合材料的微观失效机制与宏观结构的力学性能之间仍然缺少一座桥。鉴于此,文章利用典型复合材料试样的拉伸疲劳实验数据,建立了基体裂纹、纤维断裂和界面脱胶等损伤变量累积模型,从断裂能的角度出发构建了基体裂纹密度、纤维断裂面积与复合材料属性之间的函数关系,分析了基体裂纹密度、纤维断裂面积等损伤变量对复合材料工程性能参数的影响。利用复合材料宏观力学理论,研究了各物理损伤变量对桨叶刚度特性的影响,采用连续损伤变量的状态方程建立了复合材料桨叶的损伤演化模型,这种以有理多项式为状态转移函数微分模型能很好地体现复合材料桨叶在疲劳初期和疲劳末期刚度快速损伤的现象。     

粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征

通过宽载荷水平大子样试验研究了缺陷对粉末冶金镍基高温合金FGH96的疲劳寿命分散性的影响，获得FGH96在宽载荷水平下的疲劳寿命分布特征.通过扫描电镜对疲劳失效断口进行统计分析，揭示缺陷在不同载荷条件下的作用.结果表明:①FGH96中导致疲劳失效的缺陷主要为非金属夹杂；②在高应力水平下（1200，1100MPa）下，导致表面萌生裂纹的夹杂是最差疲劳寿命的主导因素，使得疲劳寿命分散性较大；③在中间应力水平（1000MPa）下，在材料内部萌生裂纹的夹杂并不影响疲劳寿命的分散性；④在低应力水平（900MPa）下，疲劳破坏均萌生于内部，在材料内部夹杂处萌生的裂纹并不影响疲劳寿命的分散性.因此，在高应力水平下的寿命预测需要考虑缺陷信息.      

三维编织Cf/Al复合材料T型件振动疲劳性能

采用真空压力浸渗法制备的三维编织C_f/Al复合材料具有良好的力学性能，在航空航天等领域的应用上具有较大潜力。本工作以三维编织C_f/Al复合材料为研究对象，对其在不同加载应力下进行振动疲劳实验，并观察疲劳实验后其断口处的微观结构。结果表明：加载应力越大，达到疲劳稳定阶段时T型件的固有频率降幅百分比也越大，即对T型件内部结构的破坏也越显著；对不同加载应力下的疲劳数据进行拟合，绘制S-N曲线，得到T型件振动疲劳损伤演变规律的数学模型，可用于预测三维编织C_f/Al复合材料的疲劳寿命；对实验后T型件进行断口处的宏观和微观分析，发现实验后的T型件呈现典型的脆性断裂特征。     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境力学试验

为了研究三维编织C/C复合材料高温氧化环境下的力学性能,在大气环境下开展了有、无抗氧化涂层三维四向C/C复合材料平板试验件700℃时的拉伸试验和拉/拉疲劳试验。拉伸试验结果表明:无涂层三维四向C/C复合材料在700℃保温1h和2h后,强度分别下降至有涂层的70.33%和44.57%,弹性模量分别下降至有涂层的58.57%和38.99%,氧化后的总拉伸应变比有涂层的大幅度提升,材料破坏时无刚度突降现象。疲劳试验结果表明:有涂层三维四向C/C复合材料的剩余刚度先增加,而后保持,最后突降,应力水平为83%经10~5循环后剩余强度比初始强度提高了19.75%;无涂层三维四向C/C复合材料的剩余刚度先增加后降低,直至材料完全破坏,应力水平为75%经10~5循环后剩余强度比初始强度降低了20.40%。     

含分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板压缩失效模式

对含单个分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板进行压缩试验,通过对同种中等厚度含不同分层大小、不同分层位置的层合板压缩失效后的宏微形貌及超声波C扫描检测结果的分析,研究了分层大小及分层位置对于国产碳纤维及T300纤维复合材料层合板失效模式造成的影响,比较了两种纤维复合材料失效模式的异同.结果表明,预制分层在压缩过程中都发生了扩展,而分层位置是影响其压缩失效模式较为重要的因素.对于分层位置较深的层合板,其失效模式往往为首先发生分层扩展,进而子层板剪切屈曲失效.总的分析表明,国产碳纤维复合材料与T300纤维复合材料含分层损伤层合板的压缩失效模式基本相同.      

复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的纤维增强复合材料层合板, 发展了疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法.该方法主要包括应力分析、失效分析及材料性能下降三部分.其中, 应力分析是通过三维有限元数值分析技术实现的;失效分析采用改进的Hashin静态失效准则判断疲劳损伤的产生和扩展;材料性能是基于突降和渐降两种准则进行退化的.所发展的方法可以预测不同铺层顺序、不同几何尺寸的复合材料层合结构在疲劳载荷下的损伤起始、扩展、直至结构最终破坏整个过程, 并预测其疲劳寿命.同时, 在ANSYS软件平台上, 开发了相应的参数化复合材料层板结构的疲劳逐渐损伤分析程序.与已有文献结果比较, 误差在10%以内.      

高强铝合金疲劳特性研究

研究了室温大气环境下不同应力比R和不同应力集中系数Kt条件下2E12高强铝合金的高周疲劳性能,并利用扫描电镜及透射电镜对合金疲劳断口附近的微观组织及疲劳断口进行了分析.研究结果表明,在同一应力水平下,2E12高强铝合金的疲劳寿命随着应力比R的增大而提高;Kt=1时合金的疲劳寿命远远大于Kt=3时合金的疲劳寿命,表明此合金具有明显的缺口效应.疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区组成.第二相对疲劳裂纹的萌生起着重要的作用,并且初步讨论了有关的疲劳断裂机理.