单向碳/碳复合材料高温疲劳试验研究

为了研究单向碳/碳的高温疲劳特性,从疲劳损伤力学出发,提出了考虑温度、氧化速率的碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,并开展了碳/碳复合材料[0]16单向板试验件在室温、有涂层700℃和无涂层700℃的拉/拉疲劳试验和剩余强度试验。试验结果表明:单向碳/碳复合材料的剩余刚度曲线呈倒\"S\"形,材料的刚度退化存在三个阶段;单向碳/碳复合材料在室温和有抗氧化涂层700℃的疲劳加载初期和末期存在刚度突降,中期的刚度无明显退化;单向碳/碳复合材料在室温的疲劳刚度退化小于10%,而有抗氧化涂层单向碳/碳复合材料700℃的刚度退化超过30%;无抗氧化涂层单向碳/碳复合材料在疲劳中期存在明显刚度退化,末期无刚度突降。模型的拟合结果表明:复合材料高温剩余刚度、剩余强度模型能够很好地预测单向碳/碳复合材料在室温和700℃的剩余刚度、剩余强度变化。     

疲劳载荷下单向陶瓷基复合材料界面摩擦力识别

为了确定疲劳加载过程中不同循环数下界面摩擦力的大小,对单向陶瓷基复合材料(CMCs)的疲劳迟滞行为进行了研究,提出了单向CMCs疲劳载荷下界面摩擦力识别方法。基于剪滞模型,确定了疲劳峰值和谷值应力下纤维应力分布。并基于数形结合的方法推导了迟滞环割线模量的理论值与界面摩擦力之间的函数关系。将迟滞环割线模量的实验值与理论值进行比较,识别了不同循环数下界面摩擦力的大小。结果表明,在前1000个循环内,界面摩擦力从9.89MPa 减小为5.28MPa,并在随后的循环内保持近似不变,说明疲劳过程中界面磨损主要发生前1000个循环内。     

复合材料单向板寿命预测模型

<正>纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)因具有较大的比刚度、比强度、结构可设计性等优点而被广泛应用在航空、船舶、汽车、风电等行业中。随着复合材料在工程结构中的应用由次承力构件逐步扩展至主承力构件,疲劳破坏在复合材料结构中已逐渐显现,正成为制约其进一步应用的重要因素,因此复合材料的疲劳问题正成为使用者和工程设计人员十分关注的问题。对层合板的疲劳寿命展开预测是复合材料疲劳问题的基本研究内容之一,也是复合材料结构设计的重要工作之一。工程应     

陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

为了建立CMC疲劳寿命预测方法,推广CMC在航空发动机中的应用,根据BHE剪滞模型理论,分析了随着疲劳峰值应力的大小不同,CMC可能出现的4种疲劳迟滞行为,推导了每种迟滞行为下的循环应力-应变公式,模拟了给定应力条件下的疲劳迟滞回线,通过与试验数据对比,证明了迟滞回线模拟的准确性,进一步分析了界面剪应力随疲劳循环数的退化关系。结合界面剪应力退化模型与纤维强度退化模型,设计了纤维应力计算和疲劳寿命计算流程。针对2维编织CMC,根据单胞有限元计算结果提取了纤维束应力,并对CMC进行了疲劳寿命计算,推导了CMC疲劳寿命S-N曲线,其结果与试验数据基本吻合。针对2维编织CMC的疲劳寿命预测方法,可用于编织结构的CMC涡轮导叶疲劳寿命分析。     

单向复合材料在低温下的应力集中及强度

首先采用计及基体拉力的修正剪滞模型,研究了在低温情形下受纵向拉伸荷载作用的单向纤维增强复合材料由部分纤维及基体断裂所导致的应力重新分布。然后采用随机临界核理论,对单向纤维增强复合材料在低温情形下的拉伸破坏过程进行了细观统计分析,定量地研究了低温对拉伸强度的影响。计算结果表明,在低温环境下,E-玻璃纤维和碳纤维复合材料的应力集中因子有不同程度的改变,其强度极限均比常温情形下高。     

过氧化氢水溶液在自分解过程中的温升特性

针对过氧化氢水溶液在自分解过程中分解放热引起的温升进行传热分析,建立数学模型,求解得出随着浓度、比热容、分解速率以及散热等因素下的温升变化规律.其结果可以为过氧化氢溶液的储存、输送以及推进燃烧控制提供重要的理论依据,为进一步掌握过氧化氢热化学机理提供理论基础.      

纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性,研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法,并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法,计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内,45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大;当金属厚度不变,外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大;当轴结构壁厚保持6mm不变,减小复合材料层的厚度,同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度,其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.      

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。     

过氧化氢水溶液在自分解过程中的温升特性研究

针对过氧化氢水溶液在自分解过程中分解放热引起的温升进行传热分析,建立数学模型,求解得出随着浓度、比热容、分解速率以及散热等因素下的温升变化规律。其结果可以为过氧化氢溶液的储存、输送以及推进燃烧控制提供重要的理论依据,为进一步掌握过氧化氢热化学机理提供理论基础。     

Fatigue life prediction model of 2.5D woven composites at various temperatures

As one of the new structural layout in the family of woven composites, 2.5D Woven Composites(2.5D-WC) have recently attracted an increasing interest owing to its excellent properties, i.e. high specific strength and fatigue resistance, in the aerospace and automobile industry. Indepth understanding of the fatigue behavior of this material at un-ambient temperatures is critical for the engineering applications, especially in aero-engine field. Here, fatigue behavior of 2.5D-WC at different temperatures was numerically investigated based on the unit cell approach. Firstly, the unit cell model of 2.5D-WC was established using ANSYS software. Subsequently, the temperature-dependent fatigue life prediction model was built up. Finally, the fatigue lives alongside the damage evolution processes of 2.5D-WC at ambient temperature(20 ℃) and unambient temperature(180 ℃) were analyzed. The results show that numerical results are in good agreement with the relevant experimental results at 20 and 180 ℃. Fatigue behavior of 2.5D-WC is also sensitive to temperature, which is partially attributed to the mechanical properties of resin and the change of inclination angle of warp yarns. We hope that the proposed fatigue life prediction model and the findings could further promote the engineering application of 2.5D-WC, especially in aero-engine field.     

高强韧抗疲劳TiB2/7050Al复合材料组织与性能研究

原位自生铝基复合材料具备轻质、高模量和高强度,是实现装备结构轻量化的关键材料之一。塑性加工变形量是决定铝基复合材料组织和性能的重要因素。本文以三种典型截面规格型材为载体,研究了挤压变形量对热挤压制备TiB₂/7050Al复合材料组织结构与力学性能的影响规律与作用机制。采用扫描电子显微镜与背散射电子衍射技术,分析了复合材料内颗粒分布与三维晶粒结构,及其与挤压变形量的演化规律,讨论了复合材料不同组织结构下的室温拉伸性能与抗疲劳性能。结果表明：TiB₂/7050Al复合材料型材同时具备高弹性模量（78~84 GPa）、高强塑积（6 588 MPa·%）与高疲劳极限（289 MPa）,将在航空航天等领域具有广泛的应用前景。     

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。     

PGE/ Phenolic 的动态热解对温度场计算的影响

通过建立材料动态热解情况下的非稳态导热微分方程,研究了PGE/ Phenolic 的动态热解对温度场计算的影响,并将理论计算值与地面试验的实测值进行了对比分析。结果表明,对PGE/ Phenolic 考虑动态热解能有效修正温度场计算的精度,使理论计算值与实测值更为接近。     

光纤布拉格光栅监测碳纤维复合材料固化成型过程

碳纤维复合材料固化成型时,温度和内应力对成型质量的影响巨大.鉴于碳纤维复合材料厚度通常为几毫米,传统的热电偶和电阻应变片等温度应变传感器由于体积较大,无法实现嵌入式监测.为了获得成型过程中材料内部实时的温度和应变,采用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器进行监测.试验中使用两个FBG传感器,一个作为温度传感器,另一个作为应变传感器,内嵌于碳纤维预浸料铺层之中,分别用于监测碳纤维复合材料固化过程中内部的温度和应变等参量.试验结果表明,采用两个光纤光栅传感器分别用来监测碳纤维复合材料固化过程中内部温度和应变的变化是可行的.     

适合航空航天用SiCp/Al复合材料的性能

采用粉末冶金法制备了Φ300 mm的15%(体积分数)SiCp/A l复合材料坯锭,研究了热挤压、锻造后的材料力学性能以及断裂特点。结果表明,该材料的弹性模量在97 GPa、拉伸强度保持在550 MPa的水平下,延伸率仍高达7%左右,旋转弯曲疲劳强度在250~290 MPa范围内,断裂韧性为25 MPa.m1/2,冲击韧性为62.5 kJ/m2。与棒材挤压态相比,T4态复合材料拉伸强度和屈服强度分别提高66.7%和100%,但塑性保持在同一水平。断口观察表明,挤压态复合材料以基体韧性断裂为主要形式,而T4态复合材料除了基体韧性断裂外,还存在SiC颗粒断裂现象。挤压棒材锻造后有利于提高材料的横向强度。     

二维寿命分散系数和二维强度缩减系数

提出了二维寿命分散系数和二维强度缩减系数的概念和公式, 从而可以综合利用当前数据和经验数据, 得到更接近于母体真值的安全寿命和安全强度。该公式不但适用于完全数据, 而且也适用于不完全数据和无失效数据。      

局部应变法寿命估算中几种算法的对比研究

局部应变法是一种有效的疲劳寿命估算方法。然而，当采用的算法不同时，寿命估算结果往往差别很大。本文对局部法寿命估算中常用的四种组合算法进行系统地比较和分析，并结合国产某强击机机翼主梁根部疲劳危险孔的寿命估算实例进行方法评价。计算和分析表明：瞬态循环σ－ε曲线和当量应变（εｅｑ）－寿命（Ｎ）曲线是局部法寿命估算中值得推荐的一种组合算法。     

两个疲劳分散系数计算公式之间的关系的研究

常见的计算疲劳分散系数的公式有:(1)Antilog和(2)Antilog。国内外有的文献认为公式(1)的缺点是未说明以何种置信度确定母体均值,主张在应用公式(1)之前先对母体均值进行区间估计。本文提出了安全疲劳寿命(或极限)直线的概念,指出两个公式实际上是该直线的两种不同表示形式,并导出了它们之间的等效变换关系,从而说明公式(1)也象(2)一样包含有母体均值置信度的信息。