纤维增强复合材料非比例多轴疲劳特性实验研究及寿命预测

With the composite structure is widely used in national defense and civilian areas, many problems about the strength of the composite material have gradually emerged. Multiaxial fatigue life prediction of composite under non-proportional cyclic loading has become a hot research issue in the field of fatigue strength at home and abroad. For fiber reinforced composites non-proportional multiaxial fatigue life prediction model research, in the project, carbon fiber reinforced composite material winding type thin-walled tube specimen is used in macro-micro fatigue experimental research under tension-torsional non-proportional multiaxial loading, to explore the multiaxial fatigue characteristics of composite. Damage evolution and failure mechanisms of composite materials are identified under different fiber winding angles and multiaxial non-proportional loading levels. Based on revealed experimental results, a multiaxial fatigue life prediction model based on critical plane method is established considering the fiber wind angle and non-proportional multiaxial stress state of composite. Furthermore, a multiaxial fatigue life prediction method of carbon fiber reinforced composites under non-proportional cyclic loading is given, and its life prediction ability also is validated. The proposed model and method can be used for anti-fatigue design and safety assessment of the carbon fiber reinforced composite material structure.

随着复合材料结构在国防和民用领域的广泛应用，许多与复合材料有关的强度问题逐渐凸现出来，复合材料非比例多轴疲劳寿命预测已成为国内外疲劳强度领域的热点研究问题之一。针对纤维增强复合材料非比例多轴疲劳寿命预测模型研究的不足，本项目通过对碳纤维增强复合材料缠绕型薄壁管试件开展拉扭非比例多轴疲劳的宏微观实验研究，探究非比例多轴载荷下复合材料的多轴疲劳特性；查明不同纤维缠绕角度和非比例多轴载荷水平下复合材料损伤演化规律及失效机理。基于实验揭示的特征与规律，结合多轴疲劳临界平面理论，建立考虑纤维缠绕角度和非比例多轴应力状态的复合材料多轴疲劳寿命预测模型；进一步给出复合材料非比例多轴疲劳寿命估算方法，并检验其寿命预测能力，为碳纤维增强复合材料结构的抗疲劳设计和安全评估提供技术手段和理论依据。

随着复合材料结构在国防和民用领域的广泛应用，许多与复合材料有关的强度问题逐渐凸现出来，复合材料非比例多轴疲劳寿命预测已成为国内外疲劳强度领域的热点研究问题之一。本项目通过对碳纤维增强复合材料缠绕型薄壁管试件开展拉扭比例和非比例多轴疲劳实验研究，探究了非比例多轴载荷下复合材料的多轴疲劳特性，查明了非比例多轴载荷水平下复合材料损伤失效形式，提出了复合材料多轴应力疲劳寿命估算方法。研究成果可为碳纤维增强复合材料结构的抗疲劳设计和安全评估提供新的技术手段。本项目主要研究内容和结论如下：.1) 对T700碳纤维增强复合材料薄壁管试件进行了拉-扭比例和非比例多轴疲劳试验。主要研究了加载频率对比例和非比例多轴疲劳循环特性的影响。发现在相同加载载荷大小下，材料的迟滞环面积随着加载频率的增大而明显增大。树脂基复合材料的迟滞回线具有与频率密切相关的特征，并且表现出线弹性，可以判断其具有粘弹性特性。.2）研究了多轴载荷相位差对复合材料多轴疲劳寿命的影响。发现寿命与加载频率相关，即相同载荷水平下随着加载频率的增大，寿命显著下降。另外，在加载载荷小于材料强度的90%时，载荷对寿命的影响较小。材料在非比例加载下，寿命有一定的增加。.3）对T700碳纤维增强复合材料薄壁管试件失效表面裂纹进行了分析，探究了复合材料多轴疲劳载荷下多轴疲劳损伤与失效形式。树脂基复合材料的疲劳失效具有“突然失效”的特征，损伤失效形式具有多样性。材料的失效演变具有阶段性，多数是经历了基体开裂—界面脱粘—层间分层—纤维断裂，并且失效特征往往是几个特征的组合。.4）针对复合材料单向铺层结构的多向应力寿命预测问题，提出考虑平均应力和铺层角度的多向应力疲劳寿命预测方法。该方法对Hashin失效准则进行了修改，并引入了Walker平均应力修正方法，可通过0°、45°和90°铺层的疲劳试验数据来确定模型中的基本参数，实现对任意单向铺层的复合材料进行多向应力疲劳寿命预测。