复合材料纵向弹性模量疲劳衰减规律研究.pdf

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1、2015年3月机械设计与制造工程Mar．2015第44卷第3期MachineDesignandManufacturingEngineeringVol_44No．3DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．03．002复合材料纵向弹性模量疲劳衰减规律研究杨宇拮，吴富强(南京航空航天大学飞行器设计先进技术国防重点学科实验室，江苏南京210016)摘要：研究了载荷大小和铺设角度对疲劳载荷作用下复合材料的纵向弹性模量连续衰减规律产生的影响。由此构建了一个量化描述模型，对材料纵向弹性模量的衰减进

2、行预测。为验证模型的合理性，设计了一套通过测量不同单向板应力应变关系来获取材料纵向弹性模量的疲劳试验方案，并对一系列不同铺设角的碳纤维复合材料单向板进行了大量疲劳试验。分析结果表明，所构建的衰减模型较合理地描述了复合材料纵向弹性模量的疲劳衰减规律。关键词：复合材料；疲劳；刚度；纵向弹性模量；单向板；衰减中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2095—509X(2015)03—0005—07复合材料因其良好的力学性能而被广泛应用律进行了大量研究。但描述模型的通用性低、计算于航空航天、能源等领域。人们对复合

3、材料产品的结果误差较大等问题仍大量存在。要求在不断提高，但疲劳破坏却成为制约复合材料随着计算机技术的快速发展，研究人员采用数发展的一个重要因素。在复合材料的疲劳过程中，值仿真模拟方法对复合材料的疲劳失效过程进行材料的刚度随疲劳载荷加载次数的增加而不断衰分析研究。但数值仿真计算中对于4个基本弹性减，这一现象反映了复合材料复杂的疲劳破坏机模量的衰减规律掺杂了许多主观假设和人为因素。理，复合材料刚度下降问题一直是重要的研究热本文以复合材料单向板为分析对象，对复合材料纵点。向弹性模量的疲劳衰减规律展开研究，重点分析循在

4、复合材料刚度退化方面，很多学者展开过研环载荷与铺设角度对衰减造成的影响。究。Cox⋯、Kim2]、Liu_3等学者采用剪滞模型讨论了纤维一基体之间的应力传递。Rosen提出的1理论分析纤维束模型及后来的学者的改进模型引进了复合材料受疲劳载荷作用时，材料内部会产生无效长度的概念，为损伤研究提供了一种新的思微观不可逆的塑性变形，随加载次数增加，塑性变路。王丹勇等采用实验方法对0。、90。等单向层形逐渐累积增加，当其达到I临界状态时，复合材料合板的主方向损伤失效进行了研究，主要探究了单断裂失效。在上述疲劳过程中，复合

5、材料内部逐渐向板剪切应力一应变的非线性效应。廉伟基于发生多种破坏模式¨，如图1所示，而材料的刚度同一时刻的剩余强度及刚度由同一损伤状态决定也会连续衰减下降。大量试验结果表明，典型的刚这一基本假设，提出了一种剩余刚度一剩余强度关度衰减曲线分为“快一慢一快”3个阶段，如图2所联模型，减少了预测剩余刚度所需要的试验工作示。量。蒋咏秋等。。基于数值仿真技术，采用逐步复合材料中纤维对基体起增强作用，基体对纤解除节点约束等方法来模拟开裂过程，以观察不同维起支持固定作用，受面内载荷作用时，二者主要损伤形式对刚度下降的影响。沈

6、浩杰l¨针对弥散通过剪切力传递载荷。纵向弹性模量反映了平行型基体裂纹，定义了损伤张量，并建立起损伤刚度纤维方向上材料抵抗变形能力的强弱，材料内部发矩阵与损伤张量之间的关系，结合有限元分析可以生的各类损伤破坏均会对其产生影响。复合材料预测层板刚度性能。研究人员从理论分析、试验观受疲劳载荷作用时，在加载初期迅速发生大量基体察、模拟仿真等多个角度对复合材料的刚度衰减规开裂，所形成的裂纹及其累积造成纵向弹性模量显收稿日期：2015一O1—26基金项目：国家自然科学基金资助项目(11202098)；中央高校基本科研业务费

7、专项科研基金资助项目(NJ2013002)作者简介：杨宇酤(1989一)，女，辽宁沈阳人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为复合材料疲劳。·5·2015年第44卷机械设计与制造工程地也加快了材料纵向模量的衰减。当复合材料内部逐渐出现纤维断裂时，材料的纵向弹性模量急骤下降，此时外载荷越大，纤维断裂的数量越多，纵向弹性模量的下降速率也越快。因此，在复合材料的整个寿命期内，疲劳载荷越大，材料纵向弹性模量衰减速率越快，二者成正比关系。1．2铺设角度复合材料是各向异性材料，纤维铺设角度不同时使得材料内部载荷的分配

8、也不相同。铺设角为0的单向板受面内载荷作用时，在材料坐标系内寿命各向应力如图3所示。图1复合材料疲劳损伤演化1。。亭90裔8。图3单向板受力示意图7O外加载荷与应力分量间的关系为：f~xeOS200．51．0n／Ⅳ{【，=sin0(1)图2复合材料典型刚度疲劳衰减曲线：i。。著衰减。随基体裂纹扩展至饱和状态后，此时纤维式中：，为平行于纤维方向的正应力；为垂直阻止了裂纹的扩展，裂纹密度几