单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

PES/PVC膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则

以PES/PVC膜材料单轴向拉伸试验为研究基础,对膜材料的0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七个面内方向上的拉伸试验特征进行了分析,证明了采用三次加载后的应力-应变曲线可以用来描述膜材料的弹性力学性质,且测得的膜材料弹性常数符合正交各向异性本构关系。为获得膜材料在复杂应力状态下的断裂强度,对膜材料拉伸断裂破坏的机理及适用的相关强度准则进行了讨论。结果表明,利用Tsai-Hill强度准则能对纯拉或纯剪切型破坏模式下的膜材料断裂强度做出较好的预测,但该准则不适合对拉剪混合型破坏模式下膜材料断裂强度的预测。      

交变载荷对CFRP复合材料-铝合金粘接接头剩余强度的影响

为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考,针对CFRP复合材料-铝合金对接接头,研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具,完成接头的制作及固化,并测试其拉伸、剪切准静态失效强度,在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平,测试不同循环次数后的接头剩余强度,并对失效形式进行观察分析。结果表明:CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律;随着交变载荷循环周期的增加,接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势,而且在较大的载荷水平下,下降幅度更为明显;经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变,由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则,并引入疲劳退化因子,建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟,结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。      

三维机织复合材料在拉压循环载荷下的疲劳性能

为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能,对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下,分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明,在拉伸-压缩循环载荷下,三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段,分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线,可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性,双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。     

单向层合板拉-拉及压-压疲劳加载材料退化模型

以刚度退化为基础,并结合正则化疲劳寿命预测方法,推导建立了单层板疲劳累积损伤过程剩余刚度退化模型,同时给出了剩余强度退化模型.本文退化模型适用于拉-拉及压-压疲劳加载任意应力水平和应力比下的单层板疲劳寿命预测,所建立的剩余刚度退化模型显著减少为获得模型参数所必需的试验件数量,经济性好.最后,通过试验研究,建立了材料T300/BMP-316单向层合板疲劳加载各主方向剩余刚度退化表达式、剩余强度退化表达式及疲劳寿命表达式,为层合板结构疲劳损伤分析提供了有力依据.     

基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟

为了准确预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能,对编织复合材料的面胞和内胞细观实体模型进行参数化建模,面胞模型考虑了纱线空间轨迹的偏移和横截面的挤压变形。用体素网格离散模型并施加合适的边界条件,将各组分材料的损伤模型编入到有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序UMAT中。分别对内编织角为30°和45°的三维四向碳纤维/环氧树脂编织复合材料的面-内胞模型进行数值分析,经体积加权平均获得不同厚度编织复合材料试件的纵向拉伸模量和强度,通过统计具有相同破坏模式的积分点数量研究复合材料的渐进损伤过程。结果表明:基于面-内胞模型预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能与试验值吻合良好,损伤分析结果合理地反映了面胞和内胞的渐进损伤过程。      

三向碳碳材料在小偏轴角拉伸下的切口强度预报

在小偏轴角拉伸下,带切口的三向碳碳材料平面试件首先沿切口平面作自相似扩展。扩展到断裂的纤维束数与宽度方向的纤维束总数之比达到某一数值时,试件沿纤维束(或在另一些单层中垂直纤维束)方向剪断。断裂是灾难性的,所以这种切口强度预报与简单拉伸时的切口强度预报是相当的;区别仅在于在小偏轴角拉伸时,纤维束除受拉伸应力外,还作用有不可忽视的剪应力。本文对纤维束作了拉剪联合作用的强度测量,以得到其强度的概率分布的参数。据此预报了三向碳碳材料在小偏轴角拉伸时的切口强度,以及整个试件剪断时的断裂的纤维束数与纤维束总数之比值,理论预报与实验结果吻合良好。      

层板复合材料疲劳性能的实验研究

对层板复合材料在拉伸 -拉伸疲劳载荷作用下的初始静刚度、初始静强度、剩余刚度、剩余强度、疲劳寿命进行了实验研究 ,取得了大量的有意义的实验数据 ,分析了层板复合材料的初始静刚度、初始静强度和疲劳寿命的概率分布 ,讨论了层板复合材料在不同应力水平下剩余刚度随疲劳循环周次的衰减变化及损伤破坏的形式 ,得到了一些有意义的结论     

层板复合材料疲劳性能的实验研究

对层板复合材料在拉伸－拉伸疲劳载荷作用下的初始静刚度、初始静强度、剩余刚度、剩余强度、疲劳寿命进行了实验研究,取得了大量的有意义的实验数据,分析了层板复合材料的初始静刚度、初始静强度和疲劳寿命的概率分布,讨论了层板复合材料在不同应力水平下剩余刚度随疲劳循环周次的衰减变化及损伤破坏的形式,得到了一些有意义的结论。     

Statistical prediction of fatigue failure of fibre reinforced composite materials

A statistical approach is proposed to evaluate the residual strength and life of unidirectional and angle-ply composite laminates subjected to in-plane tensile cyclic stresses. The method is based on the extension of previous static failure criteria describing independently the fibre failure and matrix failure modes, combined with the statistical nature of fatigue failure of fibre-reinforced composites. The static and fatigue strengths of composite laminates at any off-axis angle are evaluated using the fatigue failure functions for the three principal failure modes, which are determined from the fatigue behaviour of unidirectional composites subjected to longitudinal and transverse tension as well as in-plane shear stresses. The evaluations of the fatigue strength of unidirectional E-glass/epoxy laminates under off-axis fatigue loading and angle-ply S-glass/epoxy laminates under in-plane fatigue loading show good agreement between theoretical predictions and experimental results.     

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

Off-axis fatigue behaviour and its damage mechanics modelling for unidirectional fibre–metal hybrid composite: GLARE 2

The fatigue behaviour of a unidirectional fibre–metal laminate GLARE 2 has been studied under various off-axis loading conditions. Tension–tension fatigue tests were first performed at room temperature on nine kinds of plain coupon specimen with a different off-axis angle. A non-dimensional effective stress defined on the basis of the classical static failure theory was applied as an off-axis fatigue strength parameter. A macroscopic fatigue damage mechanics model was then developed using the non-dimensional effective stress, and it was compared with the classical fatigue failure models for composites. The absolute off-axis fatigue strength decreases as the off-axis angle increases. The longitudinal fatigue strength of GLARE 2 is about two times as high as that of the high-strength aluminium alloy, while the transverse fatigue strength is almost one-half. The S–N relationships are almost linear for all off-axis angles in the intermediate range of fatigue life 10³<N_f<10⁵, and they are followed by fatigue limits. The off-axis fatigue data plotted using the strength ratio (i.e. the maximum fatigue stress normalized by the static strength) are approximately represented by a single master S–N curve. The non-dimensional effective stress succeeds in describing this characteristic of the off-axis fatigue behaviour. The damage mechanics model developed using the non-dimensional effective stress can favourably reproduce the directional nature of the constant amplitude off-axis fatigue behaviour of GLARE 2. This model has an advantage over the classical fatigue failure models for composites with respect to the numerical procedure for fatigue life analysis.     

三维六向编织复合材料力学性能的实验研究

通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。     

陶瓷基复合材料三维有效应力强度失效模型

基于陶瓷基复合材料在多轴应力作用下的各向异性损伤演化机制,提出损伤解耦分析的模型和方法,实现定量描述损伤分量之间的耦合影响效应。考虑损伤引起的内应力强化,通过引入有效应力的概念,对微细观损伤造成的材料承载性能衰减进行了表征,并提出复杂应力条件下强度失效判别的最大有效应力判据和二次有效应力判据。采用平纹编织C/SiC复合材料,开展了轴向拉伸加卸载、偏轴拉伸加卸载和面内剪切加卸载试验,进行了损伤演化和强度失效分析。模型和试验结果对比分析表明,本文提出的强度理论具有合理性,预测结果准确。      

纤维束波动效应对平纹编织复合材料损伤行为的影响

平纹编织复合材料中纤维束波动效应会引起随动材料主方向变化及面外剪切应力集中,为了研究其对平纹编织复合材料力学性能及损伤行为的影响,提出改进的像素法细观有限元单胞模型。模型根据纤维束波动曲线定义了材料主方向的变化,采用Hashin准则模拟纤维束的损伤起始,并引入剪切修正因子考虑面外剪切应力对面内拉伸损伤的影响。模型可以预测平纹编织复合材料的面内拉伸强度和损伤演化过程,结果表明:纤维束材料主方向波动会引起平纹编织复合材料面内拉伸强度下降;面外剪切应力集中是导致复合材料最终失效的主要原因,且随着剪切修正因子增大,复合材料面内拉伸强度显著降低;纤维束材料主方向波动和面外剪切应力集中均对平纹编织复合材料的损伤行为和破坏机理产生了影响,需要在数值分析中对其进行准确描述。      

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

Effect of on-axis tensile loading on shear properties of an orthogonal 3D woven SiC/SiC composite

The present study examines in-plane and out-of-plane shear properties of an orthogonal 3D woven SiC fiber/SiC matrix composite. A composite beam with rectangular cross-section was subjected to a small torsional moment, and the torsional rigidities were measured using an optical lever. Based on the Lekhnitskii’s equation (Saint–Venant torsion theory) for a orthotropic material, the in-plane and out-of-plane shear moduli were simultaneously calculated. The estimated in-plane shear modulus agreed with the modulus measured from ±45° off-axis tensile testing. The effect of on-axis (0°/90°) tensile stress on the shear stiffness properties was also investigated by the repeated torsional tests after step-wise tensile loading. Both in-plane and out-of-plane shear moduli decreased by about 50% with increasing the on-axis tensile stress, and it is mainly due to the transverse crack propagation in 90° fiber bundles and matrix cracking in 0° fiber bundles. It was demonstrated that the torsional test is an effective method to estimate out-of-plane shear modulus of ceramic matrix composites, because a thick specimen is not required.