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。     

多向细编碳/碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编C/C复合材料纤维束性能,分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了C/C复合材料界面性能,给出了相应的理论模型和界面应力分布,提出了由界面脱粘力,纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法,为C/C复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明:织物结构、织物编织工艺以及织物/基体复合对纤维的强度影响很大,降为原始纤维的20%左右,对模量影响小。不同界面层次,纤维/基体的界面结合情况和界面剪切强度不同,Z向纤维束中纤维/基体结合好,具有最高的结合强度,SEM观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

考虑纤维体积含量的单向层合板材料退化模型

基于损伤因子与刚度和强度退化的关系,考虑纤维体积含量vf和应力水平对单向层合板材料性能的影响,推导建立了单向层合板疲劳累积损伤过程剩余刚度和剩余强度退化模型。通过对三种vf单向层合板的疲劳试验,对本文建立的剩余刚度和剩余强度退化模型进行了验证。结果表明:本文提出的模型能较好地描述不同vf层合板疲劳过程中的面内剪切剩余刚度和剩余强度的退化规律,为层合板疲劳损伤分析提供了有力依据。     

三维机织碳/碳复合材料双轴压缩载荷下的力学行为

基于三维机织碳/碳复合材料的细观结构特征, 设计平板十字形试样, 在材料双轴力学性能试验机上开展了复合材料单轴、 双轴加载压缩试验, 对比分析了三维机织碳/碳复合材料在双轴压缩载荷下的力学行为。研究表明: 三维机织碳/碳复合材料的压缩行为表现为非线性、 脆性断裂; 双轴载荷作用下非线性特征更为显著, 压缩模量随应力的增加而增大, 强度与模量相较于单轴有较大幅度增加, 双轴压缩载荷作用下材料的强化效应显著; 试样破坏位置并未出现在试样中心区, 而是发生在试样的加载端部或十字形试样的加载分枝根部, 主要表现为基体开裂、 纤维断裂和层间脱粘, 碳布及其层间界面剪切强度的强弱直接影响材料的压缩强度。     

多向细编碳／碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编Ｃ／Ｃ复合材料纤维束性能，分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了Ｃ／Ｃ复合材料界面性能，给出了相应的理论模型和界面应力分布，提出了由界面脱粘力，纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法，为Ｃ／Ｃ复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明：织物结构、织物编织工艺以及织物／基体复合对纤维的强度影响很大，降为原始纤维的２０％左右，对模量影响小。不同界面层次，纤维／基体的界面结合情况和界面剪切强度不同，Ｚ向纤维束中纤维／基体结合好，具有最高的结合强度，ＳＥＭ观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。     

碳纤维束疲劳损伤失效试验

为了解碳纤维束的疲劳特性及疲劳加载后剩余强度的变化, 为建立碳纤维复合材料疲劳性能的细观力学分析模型提供必要的基础数据, 研究设计了碳纤维束静载力学性能及疲劳特性试验方案, 并进行了试验。采用最小二乘法拟合得到了单束碳纤维的应力-寿命(S-N)曲线。对经过预疲劳的碳纤维束试验件进行了剩余强度试验, 采用最小二乘法拟合得到了碳纤维束疲劳加载剩余强度模型。试验结果表明: 试验所用碳纤维束的条件疲劳极限为静拉伸强度的80.47%; 碳纤维束经历一定循环次数的拉-拉疲劳可以提高其强度, 其剩余强度随着疲劳加载循环次数的增加先增加后减小。     

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。      

基于纤维束增强树脂基复合材料测试的单向层合板层间剪切性能的预估方法

纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征,然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板,对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场,发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合,而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态,这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型,应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性,相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法,通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。     

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.     

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.     

Estimate Interface Shear Stress of Unidirectional C/SiC Ceramic Matrix Composites from Hysteresis Loops

The tensile-tensile fatigue behavior of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites at room and elevated temperature has been investigated. An approach to estimate the interface shear stress of ceramic matrix composites under fatigue loading has been developed. Based on the damage mechanisms of fiber sliding relative to matrix in the interface debonded region upon unloading and subsequent reloading, the unloading interface reverse slip length and reloading interface new slip length are determined by the fracture mechanics approach. The hysteresis loss energy for the strain energy lost per volume during corresponding cycle is formulatd in terms of interface shear stress. By comparing the experimental hysteresis loss energy with the computational values, the interface shear stress of unidirectional C/SiC ceramic composites corresponding to different cycles at room and elevated temperatures has been predicted.     

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

考虑温度和纤维含量影响的单向层合板材料的退化模型

根据复合材料的疲劳损伤机理,重新定义了疲劳损伤因子。根据这个疲劳损伤因子,提出了一种考虑纤维的含量和温度影响的单向纤维增强复合材料剩余刚度和剩余强度的模型;进而根据室温剩余刚度-剩余强度关联模型引入温度修正参数得到了一定温度下的剩余刚度-剩余强度关联模型,并进一步得到了与剩余刚度相关的剩余强度模型。于是,在建立剩余强度模型时减少了剩余强度的试验量和数据分散性的影响。最后,对现有文献中复合材料疲劳试验数据和剩余强度试验数据进行拟合,证明本文提出的剩余刚度模型和剩余强度模型精确描述了剩余刚度和剩余强度下降的规律。根据剩余刚度模型预测了不同纤维体积分数的复合材料在不同温度下剩余刚度衰减的规律。     

A methodology to measure the interface shear strength by means of the fiber push-in test

A methodology is presented to measure the fiber/matrix interface shear strength in composites. The strategy is based on performing a fiber push-in test at the central fiber of highly-packed fiber clusters with hexagonal symmetry which are often found in unidirectional composites with a high volume fraction of fibers. The mechanics of this test was analyzed in detail by means of three-dimensional finite element simulations. In particular, the influence of different parameters (interface shear strength, toughness and friction as well as fiber longitudinal elastic modulus and curing stresses) on the critical load at the onset of debonding was established. From the results of the numerical simulations, a simple relationship between the critical load and the interface shear strength is proposed. The methodology was validated in an unidirectional C/epoxy composite and the advantages and limitations of the proposed methodology are indicated.     

复合材料单向层合板损伤失效试验研究

对T300/BMP-316单向层合板静载及疲劳加载各主方向损伤失效进行了试验研究, 为建立该材料各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式提供了依据。同时, 获得了该材料剪切非线性因子, 给出了面内剪切疲劳加载试验循环过程中剪切刚度计算公式, 使用渗透剂增强的X射线图像技术对试样静载及疲劳破坏损伤状态进行了无损检测, 并对损伤失效机理形式进行了分析探讨。试验表明, 层合板结构应力分析中考虑材料剪切应力-应变的非线性效应是非常必要的。      

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

C/C复合材料销钉准静态和动态剪切性能

根据复合材料销钉剪切试验的需要,设计剪切试验装置。利用电子万能试验机和落槌冲击试验系统完成C/C复合材料销钉在准静态和动态加载工况下的面内剪切力学性能试验,并通过SEM试验系统分析其剪切失效模式和失效机制。结果表明:C/C复合材料销钉抗剪切强度具有明显的应变率效应,随着加载速率的增加,其抗剪切强度显著提高;C/C复合材料在不同加载速率下失效模式不同,准静态加载工况下纤维与基体严重剥离,纤维束丧失整体承载能力,其破坏过程表现出“伪塑性”失效特征;动态加载工况下纤维与基体未发生明显剥离,纤维束整体承载,其破坏过程表现为“脆性”失效特征。C/C复合材料在不同加载速率下剪切失效模式的不同可归结为内部缺陷扩展的应变率效应。