基于场强理论的复合材料疲劳渐进退化机理研究

As people's expectation increasing in security, durability, reliability and cost of composite product, the fatigue restriction of composite structure is exposing gradually. The fatigue performance of composite structure will become the major factor to restrict the performance development of product. In this project, the fatigue progressive degradation law of laminate has been researched based on the field intensity theory. 1) To investigate the irreversible structure deformation in the local damaged region of the unidirectional laminate, it is found that the irreversible deformation is the basic factor to produce the fatigue fracture and mechanical performance degradation of laminate. Based on the field intensity method, the description model of fatigue progressive degradation of the unidirectional laminate has been built by the analysis on the damage region, the failure function and weight function. 2) Based on the built theory model, the fatigue failure process of the unidirectional laminate has been simulated by the finite element method. A predicting method of fatigue life of the unidirectional laminate has been developed by analyzing the fatigue lives of the longitudinal and the transverse laminate. It is expected that the fatigue fracture law of laminate is gotten and the prediction methods of the fatigue life and the mechanical performance of laminate by the investigation of unidirectional laminate fatigue behavior.

随着人们对复合材料产品的安全性、耐用性、可靠性及经济性的要求不断提高，复合材料结构的疲劳问题将逐渐暴露出来，成为制约产品性能提高的一项重要因素。本项目基于场强理论的分析方法对复合材料疲劳渐进退化机理进行研究，主要内容：1)分析单向板内局部损伤区域产生的不可逆结构变形是材料发生疲劳破坏的根源，单向板的力学性能衰减是其宏观表现形式，再结合场强理论的损伤区域分析方法，研究定义单向板疲劳破坏的损伤区域、破坏函数和权函数，建立描述单向板疲劳渐进退化规律的模型；2)基于场强理论所建立单向板疲劳渐进退化模型，采用有限元数值分析方法对单向板的疲劳失效过程进行模拟，并结合纵、横向板的疲劳寿命发展一种预测任意铺角单向板疲劳寿命的方法。通过本项目的研究，期望在理论上揭示复合材料单向板的定量疲劳破坏规律，在应用上发展预测复合材料结构疲劳寿命和力学性能衰减的方法。

复合材料因为其优异的力学性能而被广泛应用于航空、航天、能源和交通领域。随着复合材料结构的制造能力和设计水平不断提高，复合材料结构中原先被静力覆盖的疲劳问题正逐渐暴露出来，疲劳失效已成为制约复合材料产品性能提升的重要因素。.本项目以复合材料单向板为研究对象，重点研究了疲劳载荷作用下单向板力学性能的渐进退化机理，获得了下列结果：1)揭示了3个材料方向的分配载荷对单向板疲劳破坏的作用规律，基于三者之间的内在关联性建立综合作用函数，对纤维和基体疲劳性能影响单向板疲劳性能的权重分配进行了量化描述；2)研究了单向板加载过程中载荷增量造成材料渐进破坏以及材料内部应力再分配的作用机制，并采用有限元数值分析方法对单向板的破坏过程进行了仿真模拟；3)建立了考虑载荷及铺角影响的单向板刚度渐进退化模型；4)建立了基于纵、横向单向板疲劳寿命预测任意单向板疲劳寿命的计算方法；5)进行了7种T700/YPX3001单向板的系列静力、疲劳试验。本项目的研究工作为分析复合材料工程结构的疲劳问题进行了理论和技术储备。