复合材料纵向弹性模量疲劳衰减规律研究.pdf

2015年3月
机械设计与制造工程
第44卷第3期
Machine Design and Manufacturing Engineering
Vol 44 No. 3
DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.002
复合材料纵向弹性模量疲劳衰減规律硏究
杨宇喆,吴富强
(南京航空航天大学飞行器设计先进技术国防重点学科实验室,江苏南京210016)
摘要:研究了載荷大小和铺设角度对疲劳載荷作用下复合材料的纵向弹性模量连续衰减规律产
生的影响,由此构建了一个量化描述模型,对材籵纵向弹性模量的衰减进行预测。为验证模型的
合理性,设计了一套通过測量不同单向板应力应变关系来获取材料纵向弹性模量的疲劳试验方
案,并对一系列不同铺设角的碳纤维复合材单向板进行了大量疲劳试验。分析结果表明,所构
建的衰减模型较合理地描述了复合材料纵向弹性模璗的疲劳衰减规律。
关键词:复合材料;疲劳;刚度;纵向弹性模蚤;单向板;衰减
中图分类号:TB32
文就标识码:A
文章编号:2095-509X(2015)03-0005-07
复合材料因其良好的力学性能而被广泛应用律进行了大量研究。但描述模型的通用性低、计算
于航空航天、能源等领域。人们对复合材料产品的结果误差较大等问题仍大量存在。
要求在不断提高,但疲劳破坏却成为制约复合材料
随着计算机技术的快速发展,研究人员采用数
发展的一个重要因素。在复合材料的疲劳过程中,值仿真模拟方法对复合材料的疲劳失效过程进行
材料的刚度随疲劳载荷加载次数的增加而不断衰分析研究。但数值仿真计算中对于4个基本弹性
减,这一现象反映了复合材料复杂的疲劳破坏机模量的衰减规律掺杂了许多主观假设和人为因素。
理,复合材料刚度下降问题一直是重要的研究热本文以复合材料单向板为分析对象,对复合材料纵
向弹性模量的疲劳衰减规律展开研究,重点分析循
在复合材料刚度退化方面,很多学者展开过研环载荷与铺设角度对衰减造成的影响
究。Cox、Kim2、Liu等学者采用剪滯模型讨
论了纤维一基体之间的应力传递。 Rogen提出的1理论分析
纤维東模型及后来的学者的改进模型-?引进了
复合材料受疲劳载荷作用时,材料内部会产生
无效长度的概念,为损伤研究提供了一种新的思微观不可逆的塑性变形,随加载次数增加,塑性变
路。王丹勇等?采用实验方法对0°、90°等单向层形逐渐累积增加,当其达到临界状态时,复合材料
合板的主方向损伤失效进行了研究,主要探究了単断裂失效。在上述疲劳过程中,复合材料內部逐渐
向板剪切应力ー应变的非线性效应。廉伟。基于发生多种破坏模式2,如图1所示,而材料的刚度
同一时刻的剩余强度及刚度由同一损伤状态决定也会连续衰减下降。大量试验结果表明,典型的刚
这一基本假设,提出了一种剩余刚度一剩余强度关度衰减曲线分为“快一慢一快"3个阶段,如图2所
联模型,戒少了预测剩余刚度所需要的试验工作示。
量。蒋咏秋等”?基于数值仿真技术,采用逐步
复合材料中纤维对基体起增强作用,基体对
解除节点约束等方法来模拟开裂过程,以观察不同维起支持固定作用,受面内载荷作用时,二者主要
损伤形式对刚度下降的影响。沈浩杰川针对弥散通过剪切力传递载荷。纵向弹性模量反映了平行
型基体裂纹,定义了损伤张量,并建立起损伤刚度纤维方向上材料抵抗变形能力的强弱,材料内部发
矩阵与损伤张量之间的关系,结合有限元分析可以生的各类损伤破坏均会对其产生影响。复合材料
预测层板刚度性能。研究人员从理论分析、试验观受疲劳载荷作用时,在加载初期迅速发生大量基体
察、模拟仿真等多个角度对复合材料的刚度衰减规开裂,所形成的裂纹及其累积造成纵向弹性模量显
收稿日期:2015-01-26
基金项目:国家自然科学基金资助项目(11202098);中央髙校基本科研业务费专项科研基金资助项目(NJ2013002)
作者简介:杨宇喆(1989-),女,辽宁沈阳人,南京航空航天大学硕土研究生,主要研究方向为复合材料疲劳。
2015年第44卷
机械设计与制造工程
I.基体开裂
Ib.分层
断饗
地也加快了材料纵向模量的衰减。当复合材料内
部逐渐岀现纤维斷裂时,材料的纵向弹性模暈急骤
下降,此时外载荷越大,纤维断裂的数量越多,纵向
弹性模量的下降速率也越快。因此,在复合材料的
整个寿命期内,疲劳载荷越大,材料纵向弹性模量
衰减速率越快,二者成正比关系。
1.2铺设角度
复合材料是各向异性材料,纤维铺设角度不同
时使得材料内部载荷的分配也不相同。铺设角为
H.纤维断裂
Ia.裂纹耦合
6的单向板受面内载荷o,作用时,在材料坐标系内
寿命
各向应力如图3所示。
图1复合材料疲劳损伤演化
90
图3单向板受力示意图
外加载荷与应力分量间的关系为:
.0
01=Cos"6
a, =0.sin"6
图2复合材料典型刚度疲劳衰成曲线
T12 =o,sin0c0s0
者衰减。随基体裂纹扩展至饱和状态后,此时纤维式中:o,为平行于纤维方向的正应力;o2为垂直
阻止了裂纹的扩展,裂纹密度几乎不再増长。在刚纤维方向的正应力;:为面内的剪切应力;,为外
度疲劳衰减的第二阶段,复合材料的破坏形式以分加载荷;为单向板铺设角,0°≤≤90°。
层和裂纹耦合为主,而纵向弹性模量衰减对此并不
复合材料铺设角不同时,各应力分量的大小也
敏感,下降速率变缓。当纤维无法承受裂纹尖端应不相同,它们对材料破坏产生的影响也不一样。本
力发生断裂时,会造成局部纵向弹性模量的瞬时衰文试图定义比应力参数来量化描述该影响
减,且裂纹尖端的剪应力还会造成纤维和基体间界
面的剪切破坏,使得纤维上的力无法有效传递到基
2,u=T2,o/Y
体上,受力纤维更易于断裂,这些均导致纵向弹性
12 ult
S
模量衰减较快。疲劳损伤演化影响着纵向弹性模式中:X,Y,S分别为复合材料的纵向、横向拉伸强
量的衰减,损伤演化情况由复合材料方向上的应力度以及面内剪切强度;G、a,2a和71.m为铺设角
分量共同决定,而这些应力分量主要由载荷大小以为B的单向板在断裂时所对应的材料坐标下的比
及纤维铺设角这两个因素决定。
应力,“ult”表示静拉伸断裂状况。
1.1疲劳载荷
各应力分量的比应力与铺设角度的关系如图
循环载荷是诱发材料发生疲劳断裂的外肉,载4所示。
荷幅值越大,材料就越早发生疲劳断裂,材料纵向
比应力是单向板断裂破坏时对应的应力分量
弹性模量的衰减也就越快。在微观上,载荷越大,与该方向的静强度之比,它量化描述了3个应力分
基体裂纹尖端应力越大,基体裂纹扩展越快,复合量对破坏所起作用的大小。由图4可知,1方向的
材料较快地达到裂纹饱和状态,这时造成纵向弹性。比应力随角度增加而迅速减小,该方向的应力分量
模量的下降幅度也较大。当裂纹达到饱和状态以对材料产生损伤和破坏的影响程度也随之减小,对
后,载荷越大,裂纹随之耦合扩展速率也越快,相应纵向弹性模量的衰减的影响程度也随角度增加而