复合材料层板疲劳损伤寿命的预测

根据复合材料层板疲劳损伤机理，首先建立数学模型，然后运用宏观断裂力学的分析，推导出了在基体损伤破坏下正交层板疲劳损伤寿命的预测公式，最后通过算例进行了验证。     

复合材料层板疲劳过程中温升规律研究及寿命预测

研究了复合材料层板在拉拉疲劳载荷作用下的温升规律，讨论了利用温升作为损伤参量来表征复合材料疲劳损伤规律的可行性，结果表明，用温度变化来反映材料的损伤，可以得到与用刚度降、剩余强度表示损伤一致的结论．     

复合材料层板疲劳过程中温升规律研究及寿命预测

研究了复合材料层板在拉－拉疲劳载荷作用下的温升规律，讨论了利用温升作为损伤参量来表征复合材料疲劳损伤规律的可行性。结果表明，用温度变化来反映材料的损伤，可以得到与用风度降，剩余强度表示损伤一致的结论。     

玻璃纤维铝合金层板(FMLs)的疲劳损伤特性及S-N曲线

根据国内外标准和参考文献,针对玻璃纤维增强铝合金层板(FMLs)的特点设计出FMLs疲劳试验件,进行了不同载荷下的R=0.1等幅拉-拉疲劳试验。疲劳试验过程中FMLs最先在表面铝层内出现裂纹,随后表面铝层可见多条裂纹。随着循环载荷数的增加,裂纹不断扩展,并在界面出现分层现象,然后分层损伤快速扩展直至完全断裂破坏。测得了FMLs的疲劳裂纹起裂寿命和裂纹扩展寿命,给出了其疲劳寿命的规律性。得到了FMLs和同样厚度碳纤维复合材料CCF300的S-N曲线,并进行了对比。FMLs的疲劳寿命随载荷变化平缓,近似成对数趋势;在载荷大于400 MPa时FMLs的疲劳寿命与CCF300碳纤维复合材料层板相当;当疲劳载荷最大值低于300 MPa,FMLs的疲劳寿命比CCF300复材板要低。为飞机结构设计师们提供了材料基础性能和信息。     

复合材料层板损伤的实验研究

本文通过对层板进行准静态拉伸试验，观察了层板损伤的发生和扩展过程，采用Ｘ射线拍照对报伤历程和形貌进行了记录和分析，为合理地建立力学计算模型、分析损伤扩展机理提供了可能。     

正交层板受双向拉伸时的横向开裂

基体横向开裂是复合材料正交层板的主要损伤类型.假设正交层板在双向受拉时,基体内横向裂纹达到特征饱和损伤状态,层板在两个受拉方向上的位移都沿层板厚度按抛物线分布.分别在0°层和90°层取单元体,考虑单元体的平衡而得到平衡方程,引入平均应力和平均位移的概念,利用剪切迟滞理论研究了层板中的应力分布,推导出一组偏微分方程.当层板处于损伤的早期阶段,假设只有90°层基体开裂,从而得到平均应力和层间剪应力的解析解.     

金属结构的疲劳损伤有限元分析研究

金属材料的疲劳损伤是工程界早已发现的问题，金属结构的疲劳破损问题正日益突出，为了较好地预测金属结构和构件的剩余疲劳强度与疲劳寿命，必须建立疲劳损伤有限元分析模型，来完整描绘其应力场、应变场以及损伤场的变化全过程．针对金属材料的特点，从损伤力学的基本原理出发，通过切实可行的疲劳损伤演化规律实现损伤理论与有限元软件的结合，建立适用于金属结构的疲劳损伤有限元分析模型，最后通过疲劳试验结果与理论计算比较，对模型进行了分析与评价。     

机械零件的疲劳强度设计

根据现有的疲劳理论及Miner理论，定义了能反映影响疲劳损伤的主要因素的应力循环的一次循环的疲劳损伤量δ和零件的疲劳损伤累积强度K，建立了一种疲劳损伤累积理论的新表达方式，用该方法可以方便地进行常规疲劳计算，计算结果令人满意。     

复合材料正交迭层板拉伸损伤特征的研究

复合材料迭层板的过早损伤直接影响其设计利用率与使用可靠性。本文报导[0_2/90)2]_s、[90_2/0_2]_s 及[ 45_2/-45_2]_s 正交迭层板静拉伸过程损伤特征的研究工作。采用了应力—应变曲线、声发射、X—射线、光学显微镜和扫描电子显微镜等研究方法,通过大量的实验结果,全面地考察了三种正交迭层板的宏观损伤特征,并运用微观分析手段,提出了初始损伤机理。研究了基体韧性与正交板损伤特征的定性关系。韧性增加可以推迟初始损伤产生,阻止损伤扩展,减轻损伤程度,从而可以提高复合材料的设计利用率。     

碳纤维布加固损伤混凝土梁的疲劳性能试验

完成了粘贴碳纤维布加固在役损伤混凝土梁的疲劳试验。试验结果表明：损伤混凝土梁粘贴碳纤维布加固后的疲劳寿命可提高45％～60％，疲劳变形减少了25％～35％，梁的疲劳抗裂性能得到较大提高。因此，粘贴碳纤维布可以较大提高损伤混凝土梁的疲劳性能，延长损伤混凝土结构的使用寿命，为碳纤维布加固混凝土结构的长期疲劳性能研究提供了试验依据。     

层合效应与疲劳寿命

通过对T300／QY8911碳纤维／双马复合材料三类多向层压板共5种铺层方式板条的试验研究和理论分析,揭示出不同铺设相邻单向层之间良好的粘合是确保多向层板具有高抗疲劳特性的基础,但自由边区域高的层间应力将引起分层发生与扩展,它将严重降低层板的疲劳寿命。当主要受力方向确定时,层间应力的大小与铺设顺序有密切关系,合理设计铺设顺序是降低层间应力十分有效的措施。     

纤维增强复合材料层合板刚度退化研究

复合材料在许多领域都有着非常广泛的应用.基于复合材料层合板损伤理论,对纤维增强复合材料层合板在疲劳载荷作用下的刚度退化过程进行了阐述,对层合板刚度退化不同阶段的损伤机理进行了系统的分析,在此基础上总结了损伤各阶段的分析模型.通过对损伤机理的分析,综合考虑纤维断裂和基体损伤的影响,提出层合板刚度退化二阶段统一的计算模型.     

Mechanical behaviors of notched composite laminates

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＦｏｒｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｏ ｗｅｉｇｈｔａｎｄｓｔｉｆｆ ｎｅｓｓ ｔｏ ｗｅｉｇｈｔ,ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌａｎｄａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ .Ｆｌａｔｃｏｕｐｏｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｏｆｔｅｎｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ .Ｂｅｃａ…     

Determination of fatigue cracking direction in composite laminates

The interface plays the central role in the failure analysis of composite laminates, therefore, the interface material properties are taken as the independent parameters. A simple, universal and practicable criterion, i.e. a ratio criterion of strain energy release rate, is proposed to determine the growing direction of a fatigue crack in the composite laminates. The method of arbitrary lines, which is very effective to solve the problems with high gradient feature, is used to analyze the experimental results at the key moments when a crack kinks, turns into the interface, or bifurcates. An approximate method of computing the energy release rate is given. The fatigue fracture tests of composite laminates are carried out, and the numerical predictions of crack growing directions agree well with the experimental results. It is concluded that the methods suggested in this paper are effective to obtain the cracking history and the growing path of a fatigue crack in composite laminates.     

Fatigue life prediction and experiment research for composite laminates with circular hole

Based on the fatigue prediction model of exponential function and Whitney-Nuismer(WN) criterion of static strength for the composite material laminate with a circular hole, the stress correct factor (β) was put forward and a new fatigue prediction model for composite material laminate was set up. T300/KH304, which is recently studied and is a high capability composite material, was used as the raw material. In order to gain the factor β, the fatigue experiments of the laminates with holes in different diameters and the same ratio of width to diameter were conducted. The fatigue analysis and tests of the laminates with a hole 5 mm in diameter are carried out at different stress levels, and the results meet the engineering requirement. The simple, prompt and practical method is provided for the prediction of S-N curve of composite laminate with a circular hole.     

CFRP加固钢梁的有限元分析

工程结构中的受弯钢梁由于腐蚀或疲劳损伤需要进行加固和修复.与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有很大的优势和应用前景,如不会导致严重的应力集中、不会产生残余应力、施工方便、维护费用低等.但是目前仅对CFRP加固钢梁和组合梁进行了部分试验研究,缺乏相关的有限元分析.对CFRP加固钢梁和组合梁有限元分析的几个关键问题进行了论述,并采用笔者提出的“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型对钢梁和组合梁粘贴CFRP加固前、后的性能进行了分析.分析结果表明,损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP布和CFRP板加固后其性能恢复非常显著,而且粘贴CFRP板的加固效果更加明显.     

复合材料角交层板的损伤扩展研究

本文对（３０４／－３０４）ｓ和（４５４／－４５４）ｓ碳／环氧复合材料层板中的典型损伤状态进行了实验观察和分析。采用准三维有限元模型对引起分层损伤产生和扩展的自由边层间应力以及应变能释放率的特点进行了分析和讨论。结果表明对于角交复合材料层极，损伤的主要形式是层间界面的分层以及角度铺层内的基体裂纹。分层损伤产生的位置与层间应力的分布趋势相一致。本文提出的刚度标定法可以用以应变能释放率的实验标定。     

Residual strength model for composite laminates

To research the approach of predicting composites fatigue life,the cumulative fatigue damage of fiber-reinforced plastic laminates(FRP) was investigated,and based on the complex exponential function,the residual strength model was obtained. This model can accurately describe the propagation of cumulative fatigue damage of FRP in three stages,especially in the initial stage and the ceasing stage. Applying this model in the experiment with two loading cycles,it can be found that the prediction result has good coincidence with experimental data. So a reliable residual strength model can be provided for studying the cumulative fatigue damage of FRP.     

Research on Fixture’s Effect on Properties of Single-Shear Bolt Jointed Composite Laminates Structure

夹具对单剪连接层合板结构性能影响的研究

刘长喜^1,2,周振功¹,王晓宏²,张博明³

（1.哈尔滨工业大学复合材料研究所;2.黑龙江工程学院机电工程学院;3. 北京航空航天大学材料科学与工程学院）

创新点说明：

（1）从测试夹具的角度出发,利用试验与数值分析相结合的方法,分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响;

（2）基于通用有限元软件ABAQUS及其用户自定义子程序USDFLD,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑细观组分材料（纤维、基体、界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观多尺度数值分析模型。

研究目的：

此文是为了研究测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响

研究方法：

（1）根据ASTM D5961-B 测试标准进行复合材料层合板试件的设计;

（2）利用热压罐成型技术进行复合材料层合板试件的制作;

（3）根据ASTM D5961-B测试标准进行单剪连接层合板结构性能测试,并分析测试夹具对测试结果的影响;

（4）基于ABAQUS软件及其用户自定义子程序（USDFLD）,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑复合材料组分材料（纤维、基体及界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观相结合的数值分析模型;

（5）利用试验测试结果验证模型的准确性,在此基础上利用所建立的数值分析模型进一步分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响。

结果：

（1）试验测试结果表明：

a）单剪连接层合板结构承载能力的应力-应变曲线的重复性较好;

b）不同于双剪连接层合板结构,单剪连接层合板结构的应力-应变测试曲线的初始阶段未出现明显的峰值;

c）单剪连接层合板结构的承载能力参数（初始挤压强度、偏移挤压强 度和极限挤压强度）均低于双剪连接层合板结构的相应的承载能力参数。

（2）数值分析结果表明：

a）数值分析结果与试验测试结果吻合较好;

b）试件与测试夹具侧面的不完全接触将导致测试结果偏低;

c）测试过程中,载荷的非对中性将导致测试结果偏低;

d）测试夹具的刚度偏低将导致测试结果偏低。

结论：

（1）单剪连接层合板结构的挤压性能低于双剪连接层合板结构的挤压性能,且单剪连接层合板结构挤压性能的试验测试结果偏差较大;

（2）单剪连接层合板结构挤压性能测试过程中,应注意夹具与试件之间的完全夹紧、避免加载过程中载荷的不对中性,提高测试夹具的刚度,以保证测试结果更加接近结构的实际性能。

关键词：宏-细观多尺度数值分析;单剪层合板结构;测试夹具;ABAQUS;GMC模型;用户子程序