纤维增强复合材料疲劳寿命预测及损伤分析模型研究进展

随着纤维增强复合材料主承力结构在多领域内的广泛应用，疲劳成为复合材料结构设计必须面对的问题，出现了大量用于复合材料结构疲劳寿命预测及损伤演化的分析模型与方法。目前的复合材料疲劳性能分析模型可以分为疲劳寿命模型、唯象模型和渐进损伤模型。对这3类模型的发展情况进行了综述和对比分析。其中，疲劳寿命模型原理相对简单，适用于工程结构的寿命估算；唯象模型建立了材料剩余强度/刚度与循环数的数学关系，可以预测结构的寿命与材料剩余力学性能；渐进损伤模型不仅可以预测结构寿命和材料剩余力学性能，还能分析结构疲劳损伤机理。对各类疲劳性能分析模型的发展趋势进行了讨论。指出了降低实施成本和提高通用型是各类疲劳性能分析模型有待解决的问题。      

腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定方法研究

提出了考虑腐蚀环境影响的民机结构疲劳寿命评定方法.根据腐蚀条件下民机结构使用特点,将其使用过程简化为独立的地面停放与空中环境预腐蚀和空中腐蚀疲劳过程,综合考虑上述影响因素,建立腐蚀影响系数曲线,采用疲劳损伤当量折算方法,对一般环境下的疲劳寿命结论进行修正,可以有效地进行腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定.     

民机结构腐蚀条件下疲劳寿命评定与试验验证

针对民机结构典型疲劳关键部位——机翼弦向对接部位,进行了腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定方法合理性的试验验证,评定了该部位腐蚀条件下疲劳寿命.通过关键部位细节模拟试件加速预腐蚀及随后的一般环境下疲劳试验,测定了预腐蚀影响系数曲线;通过腐蚀疲劳试验测定了腐蚀疲劳影响系数;通过关键部位大型结构模拟试件预腐蚀-腐蚀疲劳交替验证试验,测定了典型使用情况下的腐蚀综合修正系数,同时用腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定方法针对交替试验情况进行了评定,结果对比表明该评定方法是合理、可行的.并给出了机翼弦向对接部位典型使用情况下的疲劳寿命评定结论.      

null

采用腐蚀条件下的细节疲劳额定值(DFR)方法对民机机身典型长桁机加接头结构进行了综合环境下的疲劳分析.结合分析过程,给出了由细节模拟试件试验得到的DFR腐蚀影响系数确定结构综合环境的DFR腐蚀影响系数的方法,并采用民机机身长桁机加接头部位模拟试件,完成指定使用情况所对应的预腐蚀-腐蚀疲劳交替验证试验.试验结果与分析结果的对比表明,结果基本一致,综合环境下疲劳分析方法可行.     

相似多细节结构疲劳试验不完全数据参数估计

讨论了用含相似多细节结构的不完全疲劳试验数据进行疲劳特征参量分布参数估计的方法.在假设疲劳寿命服从对数正态分布和双参数Weibull分布的情况下,分析了用于描述单个细节疲劳质量的随机变量的分布参数与含相似多细节结构不完全试验数据的分布参数之间的关系,分析表明二者之间存在显著的差异,但具有确定性的关系,这种关系与细节个数有关,给出了通过不完全试验数据估算单个细节疲劳分布参数的定量方法.通过数值模拟,分析了样本容量和细节个数对估算结果分散性的影响,分析表明,在细节数较少时,对分散性的影响与样本容量有关,与细节个数关系不大.      

疲劳学的研究进展

随机疲劳、混沌疲劳及复合材料疲劳寿命估算属疲劳学研究的三个重要前沿。给出了疲劳损伤的动态概率分布；对混沌疲劳进行了初步探索；且给出了用于复合材料疲劳寿命估算的损伤演化方程。     

服从不同分布的疲劳寿命分散系数分析

民机结构的疲劳寿命服从双参数威布尔分布,其分散系数与战斗机基于对数正态分布的疲劳寿命分散系数存在明显的不同.为分析疲劳寿命服从这两种不同分布时分散系数的区别和联系,导出了疲劳寿命服从双参数威布尔分布时的理论和试验用疲劳寿命分散系数计算公式;并从理论基础和数值计算结果两个方面,对服从对数正态分布和双参数威布尔分布的疲劳寿命分散系数进行了对比,所得的结论对确定民机结构疲劳寿命分散系数提供了重要的技术依据.     

基于刚度下降的疲劳累积损伤模型的研究

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤是十分复杂的,对损伤的精确建模是关系到复合材料力学行为描述的关键问题.从应变等效性假设出发,通过分析和描述疲劳过程中刚度和应变的演化规律,提出能够描述材料疲劳损伤演化过程的、以应变定义的和在疲劳过程中真实地反映材料动态本构关系的损伤因子,建立考虑残余应变的刚度下降复合材料疲劳损伤模型.T300/KH-304是我国新近研制的高性能航空复合材料,应用此模型开展对其疲劳损伤行为的分析与研究.在岛津液压伺服试验机上,加载频率控制在4.1 Hz,对这种材料的层合板进行4个常幅应力水平的疲劳实验,建立了T300/KH-304复合材料的疲劳模型的数学表达,经验证模型优于经典的疲劳模型的S-N曲线拟合精度,最大的误差仅为2.4％,且能反应疲劳损伤的发展规律.      

CFRP孔板拉伸疲劳环境效应的正交试验

为研究环境因素对CFRP孔板疲劳性能的影响,针对T300/QY8911含中心孔层压板设计并开展了正交试验研究.试验中采用标准试件在给定环境条件下测试其拉伸疲劳寿命,并通过对正交试验结果的方差分析研究了有无涂层、紫外辐射、环境湿度等环境因素及其交互作用对T300/Y8911复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响的显著性.研究表明:在紫外、涂层、湿度及任意二者的交互作用中,有无涂层对复合材料孔板的拉伸疲劳寿命影响高度显著,有无紫外及涂层与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响显著;而湿度、紫外与涂层的交互作用及紫外与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命的影响均不显著.     

试验测定DFR的升降法方法

提出了试验测定结构件细节疲劳额定值(DFR)的升降法方法,可以充分估计并节约总试验时间.通过数值模拟比较了升降法数据处理的半子样极大似然法和马尔可夫方法.为满足可靠度要求,对半子样极大似然法估计的疲劳强度标准差进行了修正,并给出了保证95％可靠度的疲劳强度的置信度要求的最少试件数.最后给出了升降法确定DFR的表达式.      

确定材料概率疲劳曲线的损伤力学方法

飞机结构对可靠度要求很高,因此要获取材料的概率疲劳曲线.概率疲劳曲线试验周期长,费用高.对此,首次通过损伤力学方法,根据获取材料中值疲劳曲线所需数据确定了材料的概率疲劳曲线.结果表明,当存活概率提高时,疲劳强度将明显降低,疲劳寿命将明显缩短.本结论是从金属材料的标准试件的疲劳试验推出的,因而该方法首先适用于金属材料,同时该方法也可推广用于许多新型的复合材料.另外,试验子样愈大,置信度愈高.该方法的价值在于可以采用中值疲劳试验代替概率疲劳试验,显著地节约疲劳机时与试验成本.     

预载荷作用下管路结构动强度评估方法

针对现阶段航空航天管路结构环境试验存在的问题,研究了管路结构在预载荷及随机振动试验条件作用下的动强度特性的分析方法,明确了由预载荷引起的微分刚度、预应力在结构振动响应计算及疲劳寿命分析时的区别及处理方法,提供了一种可定量预估管路结构在多种试验环境作用下随机振动疲劳损伤的分析方法,该方法解决了真实环境试验条件如何表示预期使用环境的问题以及真实环境试验条件与预期使用环境不一致对管路结构动强度造成的影响如何进行评估的问题。通过对管路结构的仿真,分析了管路的动强度薄弱点以及剩余强度系数和疲劳寿命,验证了该方法的有效性,从而为分析管路结构在真实使用过程中的环境适应性以及可靠性提供了一定工程指导。      

一种考虑腐蚀影响的飞机结构疲劳试验方法

考虑腐蚀环境的影响,提出了一种关于飞机结构在一般环境下的疲劳试验方法.该方法综合考虑地面停放预腐蚀和空中腐蚀疲劳对结构疲劳寿命的影响,由腐蚀环境下结构设计疲劳寿命要求和年平均飞行小时数反推出一般环境下的疲劳寿命指标,从而确定结构疲劳试验目标寿命,为结构疲劳试验提供指导,具有重要的工程实用价值.     

钛合金焊接件疲劳特性评估的当量Kt法

针对先进飞机结构广泛采用的钛合金焊接结构,提出了描述焊接件疲劳特性的当量理论应力集中系数Kt(K_te)的概念;建立了以钛合金材料疲劳性能为基础,通过一组谱载下钛合金焊接件疲劳试验来确定K_te的技术途径.以TC4钛合金氧弧焊试件为例给出了确定K_te的具体方法和结果.     

不完全疲劳寿命置信度分析方法

采用秩统计法,利用不完全疲劳寿命数据平均秩,导出不完全疲劳寿命对数正态分布参数估计公式.通过推断母体分布均值和标准差,并根据分布理论,导出了不完全疲劳寿命的置信限.给出了上述方法分别在复合材料旋翼和发动机动部件疲劳定寿中应用的两个实例,对比分析了本文方法与假定完全寿命方法的处理结果,并发现本文方法充分利用了数据信息,能给出较长的安全寿命.