复合材料疲劳理论研究进展

复合材料疲劳理论研究进展

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何春林1! ! 龚成中2! 邢静忠1

甘肃兰州730050 江苏淮安223001 1. 兰州理工大学 2. 淮阴工学院

摘要" 复合材料的疲劳问题一直是科学领域的一个热点问题! 针对近几年的研究成果! 对复合材

料疲劳理论的疲劳机理" 界面疲劳" 疲劳可靠性" 疲劳寿命预测以及环境效应进行了比较论述! 分析了目前的研究现状及存在问题! 并展望了复合材料疲劳理论的发展趋势#关键词" 复合材料$疲劳理论$可靠性研究中图分类号" TB 332算结果

1前言

随着科技的发展 复合材料以其优越的性能在

文献 对近年来碳 碳复合材料疲劳行为的研

究情况进行了综述 总结出了疲劳行为特点 提出了 界面控制疲劳机理分析模型 并用此模型合理

解释了碳 碳复合材料优异的抗疲劳性能以及异常的 疲劳强化 现象

层板复合材料的疲劳性能不仅与组分材料性能 工艺条件 试验环境等因素有关 还与铺层有直

7

主要介绍了采用试验方法研究拉接的关系 文献

诸多领域得到了应用 它们不仅广泛应用于航空航天等高技术领域 还可用于文体用品 纺织机械 医疗器械 生物工程 建筑材料 化工机械 运输车辆等

1-2

复合材料构件在使用过程中 往往会由方面

于应力和环境因素而产生损伤以至破坏 其中疲劳损伤为其主要破坏形式之一 疲劳损伤的产生 扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀 加速材料的老化 造成材料耐环境性能严重下降和强度与刚度的急剧损失 大大降低材料的使用寿命 甚至会造成灾难性后果 所以 对复合材料及其制件的抗疲劳性能进行研究是极为重要的

一拉疲劳载荷作用下不同铺层的层板复合材料的疲劳性能 以及试验的结果分析 并给出了工程上有用的结论

文献 在充分考虑疲劳过程中聚合物基复合材

料内部所发生的化学变化的基础上

引入周期力学活化能和剩余强度系数的概念 提出了一种新的纤维增强复合材料的力学-化学疲劳模型 从力学化学效应的角度可以较好地解释间歇疲劳寿命大于连续疲劳寿命等现象 其结果与试验值吻合得很好

2.2复合材料界面的疲劳研究及裂纹

复合材料组元的界面结构及粘结状况极大地影响其性能

工程实践表明 疲劳破坏会降低材料和结构的使用寿命 安全可靠性 甚至可能造成巨大的经济损失和人员伤亡 作为复合材料重要组成的微结构一一界面 它的抗疲劳能力直接决定着复合材料的整体宏观疲劳特性 所以界面的疲劳研究成为复合材料疲劳研究的一个重要方面 迄今 复合材料界面的疲劳研究主要以等幅循环载荷作用下的界面损伤为主 然而实际工程中的材料与结构经常会面临一些复杂的载荷情况一一变幅循环载荷的作用 即应

2目前主要研究方面及研究现状

2.1复合材料疲劳机理

由于复合材料与一般金属材料性质不同 基本

上属脆性材料 因此复合材料与金属等一些各向同

3-4

而且针对不同性材料有完全不同的疲劳机理

的基体复合材料 其疲劳机理也各不相同

5

文献 对纤维增强聚合物基复合材料进行了损

伤与断裂力学分析 建立了材料的模型 采用基体横向裂纹的剪切迟滞分析获得较好的基体开裂的定量分析结果 采用边界配置法计算各向异性材料裂纹体的应力强度因子 建立裂纹的扩展判据 并对纤维断裂进行了弹性分析 实验结果验证了理论分析结果的正确性 得到应力强度因子 随裂纹尺度的变化曲线和对纤维断裂和脱胶引起的刚度退化的计

第3期何春林等 复合材料疲劳理论研究进展

141

力幅不是恒定不变的 甚至有时还会有很大的变化 所以变幅载荷作用下的复合材料疲劳特性的研究成为必然

为探明复合材料的失效机理 前人已对各向同性材料界面裂纹 界面下裂纹及其相互间的干涉问

9-11

题进行了大量的研究 目前 工程中遇到的材

结构的安全性和可靠性不低于同类金属结构 应用初期的复合材料按金属结构的规范和标准进行疲劳可靠性分析与设计 从70年代中期开始到 0年代初 随着使用经验的积累和研究的深入 逐渐认识到 由于复合材料层压板的各向异性 脆性和非均质性 特别是层间性能远低于层内性能等特点复合材料疲劳性能与金属有很大差别 金属结构的疲劳可靠性分析与设计方法往往不能直接用于复合材料结料常常是各向异性的 所以有必要对各向异性复合材料进行研究 由于各向异性材料的复杂性以及界面缺陷的影响 已有许多人将各向异性材料用退化材料 各向同性材料 代替 这显然不合理 因此 对各向异性复合材料界面问题方面的专门研究也势在必行

文献 12

利用剪切滞后分析和J 积分方法 给出

了界面起裂的J 积分判据 理论分析表明 随着界面裂纹的发展 所需的裂纹扩展驱动力会越来越大 因而界面裂纹之间的相互连通几乎是不可能的 界面剪切弹性模量以及界面强度对界面裂纹扩展的影响亦给予了分析

文献 13 利用伪力一位错法对各向异性复合材

料中界面裂纹与界面下平行于界面的微裂纹的干涉问题进行了研究 推导出了界面裂纹及界面下裂纹的基本解 将裂纹间的干涉问题化为一奇异积分方程组 并借助cheb y Shov 多项式及cheb y Shov 数值积分法进行了求解 在此基础上 针对几种典型的各向异性双材料结构进行了计算 分析数值结果发现 材料失配对裂纹间的干涉有很大的影响

文献 14

用界面裂纹接触区模型模拟界面缺陷

分析了碳纤维增强碳化硅复合材料界面裂纹尖端应力场的奇异性 由数值求解方法推导得出 减小界面缺陷尺寸或增加纤维与基体的弹性模量比 可以使该复合材料剪应力强度因子的水平值明显提高 实验结果证明了理论推导的正确性

2.3复合材料疲劳可靠性研究

疲劳可靠性研究旨在从经济性和维修性要求出发 在规定工作条件下 完成规定功能下 以及在规定使用期间内 使结构因疲劳而失效的可能性减至最低程度 所谓疲劳可靠性设计也就是要求承受疲劳荷载的构件在一段时间内安全运行满足足够底的失效概率 对金属材料的可靠性分析 目前研究较多 如顾怡等提出了结构元件疲劳可靠性分析的累

积损伤模型 15

赵亚夫等提出了多级荷载下的剩余强度理论 1

对于复合材料由于人们对复合材料损伤研究很不充分 缺乏使用经验 为了保证所研制的复合材料

构 另外 复合材料构件在制造 加工 运过程中可能会受到外部环境等因素影响 而不同程度地存在各种缺陷或损伤 因此对于复合材料的可靠性研究也越来越深入

文献 17

将复合材料疲劳可靠性研究领域划分

为载荷 环境谱的编制 疲劳性能 疲劳寿命估算及疲劳可靠性分析与是计四个方面 并分别简述了各自方面的研究进展

2.4复合材料疲劳寿命

处理复合材料疲劳寿命问题 目前一般采用两种方法 一N 曲线经验法以及疲劳累积损伤理论的方法

一N 曲线经验法 1

该法目前仍然是处理复合材料疲劳寿命问题最普遍的方法 其中最简单的公式化方程为a a =a u -bl o g N 式中的a a 最大应用应力 a u 为复合材料的静强度 b 为常数 N 为载荷的循环次数 这种方法也可以叫做疲劳寿命与静强度相关性法 虽然 -N 曲线对复合材料的疲劳寿命能进行预测 但是 -N 曲线是在常幅应力下得到的 因此只能提供复合材料基本的疲劳特性参数 对于复杂应力下疲劳过程的描述显得乏力

累积损伤理论法目前大多采用宏观唯象的方法来定义损伤变量 建立累积损伤理论 最近几年的科研成果较多介绍的疲劳累积损伤模型有剩余强度模型 剩余刚度模型 耗散能模型 M ar kov 链模型等 一一略述如下

1 剩余强度模型 19

~alp i n 等最早提出用剩余强度模型来预测疲劳寿命 他们认为材料的强度

随循环的次数n 增加而下降 当剩余强度R n 达到外界应力幅a m ax 时 材料便发生破坏 考虑到初始强度R 0 有一定的分散性 可假设服从W ei bull 分

布

虽然剩余强度模型能对复合材料的疲劳寿命进行预测 但此种模型是通过疲劳实验对剩余强度变化率描述的 而整个疲劳过程还有其它材料属性发生变化 因此只用一个参量一剩余强度疲劳变化率

142

甘肃科技第22卷

描述疲劳过程影响规律是不甚全面的

20-21

C 2) 剩余刚度模型 复合材料在循环应力作用下 随着循环次数的增加 材料抗疲劳性能下降

2.5复合材料疲劳与环境效应

复合材料结构使用中将受到各种环境因素的影响 在诸多的影响因素中 以湿度和温度对复合材料性能影响最大 故复合材料结构的环境影响 主要指湿热环境的影响 由于复合材料结构对环境影响和冲击损伤敏感的特殊性 长期以来 载荷/环境谱的置信度; 载荷/环境谱典型形态的确定; 压缩时间的加速试验载荷/环境谱; 载荷/环境谱的损伤当量由应力一应变曲线分析表明刚度C 弹性模量) 也随之下降 因此复合材料的疲劳寿命估算可利用剩余刚度来描述 由于疲劳模量模型引入疲劳模量的变化率与应力无关及疲劳破坏是由累积应变造成的两个假设 因此有一定的局限性

C 3) 耗散能模型材料的疲劳损伤累积过程从本质上讲是一种能量非均匀耗散的不可逆过程 要使材料破坏必须提供一定的能量来克服内部微粒之间的结合能 慈国庆等人首次对纤维复合材料的疲劳

过程循环滞回能进行了研究 22

研究表明聚合物

基的复合材料在疲劳过程中由于其粘弹性 会使应变滞后应力 形成滞后环 这种滞后作用会消耗一定的机械功 变成热能耗散于周围的环境中 轩福

贞通过疲劳实验得到的非线性累积损伤规律

23

由于此模型涉及到能量问题 因此显得较为复杂繁琐 工程应用受到限制

C 4) M ar kov 链损伤扩展模型 24-25

金属构件的疲劳裂纹扩展C FCG ) 呈现出很强的分散性 即使在

严格控制的实验室条件下宏观上不存在任何差别的试样所得的结果也会相差很大 这类模型直接研究作为时间的函数的累积损伤概率结构 最著名的是

由Bo g danoff 和Kozi n 提出的B 一M odel 2

模型 对于B 一M odel 模型来讲 进行实验验证和实际应

用的主要困难是①在损伤阶段 目前的实验只有x =b时的数据 无法对P 进行参数估计 ②对于变幅以及随机时间历程加载 一般难以划分工作循环 ③由于难以进行参数估计 B 一M odel 模型目前只能对疲劳寿命进行实验后的数据拟合 而一直未能给出实验前的预测实例和实验验证

此外文献 27

针对复合材料修补结构应力分布

复杂的特点 在剩余强度衰减模型的基础上引入局部应力应变法的分析思想 建立起复合材料修补结构的疲劳寿命预测模型 在剩余强度衰减模型和希尔提出的各向异性材料塑性条件基础上建立单向层合板在任意应力状态下的疲劳破坏准则

而对于缺陷对复合材料结构疲劳寿命影响研

究 文献 2

研究结果表明 试件疲劳破坏的起始位

置与预制缺陷位置一致 含分层缺陷复合材料结构的疲劳寿命不仅与缺陷尺寸 而且与缺陷位置有关 该研究结果为制定生产和使用过程中缺陷或损伤的控制标准提供重要依据

折算; 载荷谱的高~低载的截除; 载荷谱与环境谱的叠加原则等问题一直是急待解决的工程技术难题

3发展趋势及展望

可以说复合材料疲劳理论是一项复杂的系统工程 由于复合材料的自身的复杂性 失效形式的多样性 测试方法和实验条件 以及具体研究者兴趣与专业的局限等因素影响 都使目前的研究将仍处于探索阶段 还没有系统性可言 从严格意义上讲 这些方法仍然处于不断发展和完善阶段 展望未来复合材料的疲劳理论将集中在以下几个方面:C 1) 针对不同专业 复合材料疲劳机理的研究将更加深入 更加富有系统性

C 2) 由于实际工程中材料的各向异性以及经常会面临变幅循环载荷的作用的载荷情况 所以变幅载荷作用下的各向异性的复合材料疲劳特性的研究成为必然

C 3) 现有各类模型都是只考虑一个材料属性参量进行维象构筑的 对于疲劳损伤失效多变量系统工程问题来说还不够合理 因此多参数模型的建立 将是未来的发展方向

C 4) 有限元技术提供了一种预测材料宏观性能的方法 在复合材料微观结构与力学性能的分析和预测中会得到广泛应用

C 5) 利用计算机数值模拟三维研究将逐渐增多 建立构件的三维CA 模型 应用网格自动划分功能建立有限元模型 将有限元分析得到的应力/应变结果与疲劳寿命分析理论相结合计算出构件各个部位的寿命 绘出构件整体寿命分布图 是未来技术的发展趋势

C ) 为了适应工程技术的需求 有必要而且必须研究10 1012周次内复合材料的高周疲劳行为和疲劳机理 因此进行高周疲劳研究也很必需 C 7) 复合材料结构在生产和使用过程中不可避免地会出现各种缺陷或损伤 这些缺陷或损伤必然会导致结构的疲劳寿命降低 因此 研究各种缺陷或损伤对复合材料结构疲劳寿命的影响. 也将成为

第3期何春林等:复合材料疲劳理论研究进展

[15][1 ][17][1 ][19][20]一50. [21]143

复合材料研究领域的关键技术问题之一.

参考文献!

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! 上接第171页" 过政府投资~价格和税收等政策予以引导 逐步建立因此 改革工程运作模式 加强建筑师对工程全过程的控制 已经是急需解决的问题O 其办法是:首先在立项时就应该有绿色建筑的创意要求 按照绿色建筑体系的要求进行可行性研究O 其次延伸设计单位的服务领域 按照国际通行的咨询{F I I C }服务模式来运作 服务的对象应该包括业主~承包商~金融机构等 实施各种项目总承包的方式为建设工程提供全过程的服务O

起对绿色建筑灵活有效的支持机制O

关于绿色税收的概念 已经在许多行业和部门得到了认可 有的已经付之行动 其出发点就是可持续发展的三个基本原则:代内公平~代际公平和公平分配有限资源的公平原则 克服相关市场和外部效应 以更好地创造平等与效率O

总之 推动绿色建筑设计要依靠全社会生态意识的提高 依靠市场机制的驱动 依靠政府政策法规的规范与引导 但建筑设计人员的先觉无疑是最重要的关键O

参考文件! [1][2]宋春花 选择资源节约型发展模式健康人居住环境营造建筑学报 2004~1.

建立4调整建筑业与房地产业的产业政策"

绿色税收制度

绿色建筑体系是建筑业和房地产业追求的目标 也必须对其产业政策重新审视 政策改革要配套 通

建筑学报 2004~1.

复合材料疲劳理论研究进展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

何春林， 龚成中， 邢静忠

何春林(兰州理工大学,甘肃,兰州730050;淮阴工学院,江苏,淮安223001)， 龚成中(淮阴工学院,江苏,淮安223001)， 邢静忠(兰州理工大学,甘肃,兰州730050)甘肃科技

GANSU SCIENCE AND TECHNOLOGY2006,22(3)

参考文献(28条)

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2. 程光旭. 韦玮. 李光哲. Cheng Guangxu. Wei Wei. Li Guangze 复合材料疲劳损伤演化的两阶段模型[期刊论文]-机械工程材料2000,24(5)

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7. 冯翃翎 C/C复合材料疲劳性能的研究[学位论文]2006

8. 廖晓玲. 李贺军. 付前刚. 欧阳海波. LIAO Xiaoling. Li Hejun. FU Qiangang. OUYANG Haibo 孔隙演化与C/C复合材料的疲劳行为[期刊论文]-材料导报2005,19(7)

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复合材料疲劳理论研究进展

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何春林1! ! 龚成中2! 邢静忠1

甘肃兰州730050 江苏淮安223001 1. 兰州理工大学 2. 淮阴工学院

摘要" 复合材料的疲劳问题一直是科学领域的一个热点问题! 针对近几年的研究成果! 对复合材

料疲劳理论的疲劳机理" 界面疲劳" 疲劳可靠性" 疲劳寿命预测以及环境效应进行了比较论述! 分析了目前的研究现状及存在问题! 并展望了复合材料疲劳理论的发展趋势#关键词" 复合材料$疲劳理论$可靠性研究中图分类号" TB 332算结果

1前言

随着科技的发展 复合材料以其优越的性能在

文献 对近年来碳 碳复合材料疲劳行为的研

究情况进行了综述 总结出了疲劳行为特点 提出了 界面控制疲劳机理分析模型 并用此模型合理

解释了碳 碳复合材料优异的抗疲劳性能以及异常的 疲劳强化 现象

层板复合材料的疲劳性能不仅与组分材料性能 工艺条件 试验环境等因素有关 还与铺层有直

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主要介绍了采用试验方法研究拉接的关系 文献

诸多领域得到了应用 它们不仅广泛应用于航空航天等高技术领域 还可用于文体用品 纺织机械 医疗器械 生物工程 建筑材料 化工机械 运输车辆等

1-2

复合材料构件在使用过程中 往往会由方面

于应力和环境因素而产生损伤以至破坏 其中疲劳损伤为其主要破坏形式之一 疲劳损伤的产生 扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀 加速材料的老化 造成材料耐环境性能严重下降和强度与刚度的急剧损失 大大降低材料的使用寿命 甚至会造成灾难性后果 所以 对复合材料及其制件的抗疲劳性能进行研究是极为重要的

一拉疲劳载荷作用下不同铺层的层板复合材料的疲劳性能 以及试验的结果分析 并给出了工程上有用的结论

文献 在充分考虑疲劳过程中聚合物基复合材

料内部所发生的化学变化的基础上

引入周期力学活化能和剩余强度系数的概念 提出了一种新的纤维增强复合材料的力学-化学疲劳模型 从力学化学效应的角度可以较好地解释间歇疲劳寿命大于连续疲劳寿命等现象 其结果与试验值吻合得很好

2.2复合材料界面的疲劳研究及裂纹

复合材料组元的界面结构及粘结状况极大地影响其性能

工程实践表明 疲劳破坏会降低材料和结构的使用寿命 安全可靠性 甚至可能造成巨大的经济损失和人员伤亡 作为复合材料重要组成的微结构一一界面 它的抗疲劳能力直接决定着复合材料的整体宏观疲劳特性 所以界面的疲劳研究成为复合材料疲劳研究的一个重要方面 迄今 复合材料界面的疲劳研究主要以等幅循环载荷作用下的界面损伤为主 然而实际工程中的材料与结构经常会面临一些复杂的载荷情况一一变幅循环载荷的作用 即应

2目前主要研究方面及研究现状

2.1复合材料疲劳机理

由于复合材料与一般金属材料性质不同 基本

上属脆性材料 因此复合材料与金属等一些各向同

3-4

而且针对不同性材料有完全不同的疲劳机理

的基体复合材料 其疲劳机理也各不相同

5

文献 对纤维增强聚合物基复合材料进行了损

伤与断裂力学分析 建立了材料的模型 采用基体横向裂纹的剪切迟滞分析获得较好的基体开裂的定量分析结果 采用边界配置法计算各向异性材料裂纹体的应力强度因子 建立裂纹的扩展判据 并对纤维断裂进行了弹性分析 实验结果验证了理论分析结果的正确性 得到应力强度因子 随裂纹尺度的变化曲线和对纤维断裂和脱胶引起的刚度退化的计

第3期何春林等 复合材料疲劳理论研究进展

141

力幅不是恒定不变的 甚至有时还会有很大的变化 所以变幅载荷作用下的复合材料疲劳特性的研究成为必然

为探明复合材料的失效机理 前人已对各向同性材料界面裂纹 界面下裂纹及其相互间的干涉问

9-11

题进行了大量的研究 目前 工程中遇到的材

结构的安全性和可靠性不低于同类金属结构 应用初期的复合材料按金属结构的规范和标准进行疲劳可靠性分析与设计 从70年代中期开始到 0年代初 随着使用经验的积累和研究的深入 逐渐认识到 由于复合材料层压板的各向异性 脆性和非均质性 特别是层间性能远低于层内性能等特点复合材料疲劳性能与金属有很大差别 金属结构的疲劳可靠性分析与设计方法往往不能直接用于复合材料结料常常是各向异性的 所以有必要对各向异性复合材料进行研究 由于各向异性材料的复杂性以及界面缺陷的影响 已有许多人将各向异性材料用退化材料 各向同性材料 代替 这显然不合理 因此 对各向异性复合材料界面问题方面的专门研究也势在必行

文献 12

利用剪切滞后分析和J 积分方法 给出

了界面起裂的J 积分判据 理论分析表明 随着界面裂纹的发展 所需的裂纹扩展驱动力会越来越大 因而界面裂纹之间的相互连通几乎是不可能的 界面剪切弹性模量以及界面强度对界面裂纹扩展的影响亦给予了分析

文献 13 利用伪力一位错法对各向异性复合材

料中界面裂纹与界面下平行于界面的微裂纹的干涉问题进行了研究 推导出了界面裂纹及界面下裂纹的基本解 将裂纹间的干涉问题化为一奇异积分方程组 并借助cheb y Shov 多项式及cheb y Shov 数值积分法进行了求解 在此基础上 针对几种典型的各向异性双材料结构进行了计算 分析数值结果发现 材料失配对裂纹间的干涉有很大的影响

文献 14

用界面裂纹接触区模型模拟界面缺陷

分析了碳纤维增强碳化硅复合材料界面裂纹尖端应力场的奇异性 由数值求解方法推导得出 减小界面缺陷尺寸或增加纤维与基体的弹性模量比 可以使该复合材料剪应力强度因子的水平值明显提高 实验结果证明了理论推导的正确性

2.3复合材料疲劳可靠性研究

疲劳可靠性研究旨在从经济性和维修性要求出发 在规定工作条件下 完成规定功能下 以及在规定使用期间内 使结构因疲劳而失效的可能性减至最低程度 所谓疲劳可靠性设计也就是要求承受疲劳荷载的构件在一段时间内安全运行满足足够底的失效概率 对金属材料的可靠性分析 目前研究较多 如顾怡等提出了结构元件疲劳可靠性分析的累

积损伤模型 15

赵亚夫等提出了多级荷载下的剩余强度理论 1

对于复合材料由于人们对复合材料损伤研究很不充分 缺乏使用经验 为了保证所研制的复合材料

构 另外 复合材料构件在制造 加工 运过程中可能会受到外部环境等因素影响 而不同程度地存在各种缺陷或损伤 因此对于复合材料的可靠性研究也越来越深入

文献 17

将复合材料疲劳可靠性研究领域划分

为载荷 环境谱的编制 疲劳性能 疲劳寿命估算及疲劳可靠性分析与是计四个方面 并分别简述了各自方面的研究进展

2.4复合材料疲劳寿命

处理复合材料疲劳寿命问题 目前一般采用两种方法 一N 曲线经验法以及疲劳累积损伤理论的方法

一N 曲线经验法 1

该法目前仍然是处理复合材料疲劳寿命问题最普遍的方法 其中最简单的公式化方程为a a =a u -bl o g N 式中的a a 最大应用应力 a u 为复合材料的静强度 b 为常数 N 为载荷的循环次数 这种方法也可以叫做疲劳寿命与静强度相关性法 虽然 -N 曲线对复合材料的疲劳寿命能进行预测 但是 -N 曲线是在常幅应力下得到的 因此只能提供复合材料基本的疲劳特性参数 对于复杂应力下疲劳过程的描述显得乏力

累积损伤理论法目前大多采用宏观唯象的方法来定义损伤变量 建立累积损伤理论 最近几年的科研成果较多介绍的疲劳累积损伤模型有剩余强度模型 剩余刚度模型 耗散能模型 M ar kov 链模型等 一一略述如下

1 剩余强度模型 19

~alp i n 等最早提出用剩余强度模型来预测疲劳寿命 他们认为材料的强度

随循环的次数n 增加而下降 当剩余强度R n 达到外界应力幅a m ax 时 材料便发生破坏 考虑到初始强度R 0 有一定的分散性 可假设服从W ei bull 分

布

虽然剩余强度模型能对复合材料的疲劳寿命进行预测 但此种模型是通过疲劳实验对剩余强度变化率描述的 而整个疲劳过程还有其它材料属性发生变化 因此只用一个参量一剩余强度疲劳变化率

142

甘肃科技第22卷

描述疲劳过程影响规律是不甚全面的

20-21

C 2) 剩余刚度模型 复合材料在循环应力作用下 随着循环次数的增加 材料抗疲劳性能下降

2.5复合材料疲劳与环境效应

复合材料结构使用中将受到各种环境因素的影响 在诸多的影响因素中 以湿度和温度对复合材料性能影响最大 故复合材料结构的环境影响 主要指湿热环境的影响 由于复合材料结构对环境影响和冲击损伤敏感的特殊性 长期以来 载荷/环境谱的置信度; 载荷/环境谱典型形态的确定; 压缩时间的加速试验载荷/环境谱; 载荷/环境谱的损伤当量由应力一应变曲线分析表明刚度C 弹性模量) 也随之下降 因此复合材料的疲劳寿命估算可利用剩余刚度来描述 由于疲劳模量模型引入疲劳模量的变化率与应力无关及疲劳破坏是由累积应变造成的两个假设 因此有一定的局限性

C 3) 耗散能模型材料的疲劳损伤累积过程从本质上讲是一种能量非均匀耗散的不可逆过程 要使材料破坏必须提供一定的能量来克服内部微粒之间的结合能 慈国庆等人首次对纤维复合材料的疲劳

过程循环滞回能进行了研究 22

研究表明聚合物

基的复合材料在疲劳过程中由于其粘弹性 会使应变滞后应力 形成滞后环 这种滞后作用会消耗一定的机械功 变成热能耗散于周围的环境中 轩福

贞通过疲劳实验得到的非线性累积损伤规律

23

由于此模型涉及到能量问题 因此显得较为复杂繁琐 工程应用受到限制

C 4) M ar kov 链损伤扩展模型 24-25

金属构件的疲劳裂纹扩展C FCG ) 呈现出很强的分散性 即使在

严格控制的实验室条件下宏观上不存在任何差别的试样所得的结果也会相差很大 这类模型直接研究作为时间的函数的累积损伤概率结构 最著名的是

由Bo g danoff 和Kozi n 提出的B 一M odel 2

模型 对于B 一M odel 模型来讲 进行实验验证和实际应

用的主要困难是①在损伤阶段 目前的实验只有x =b时的数据 无法对P 进行参数估计 ②对于变幅以及随机时间历程加载 一般难以划分工作循环 ③由于难以进行参数估计 B 一M odel 模型目前只能对疲劳寿命进行实验后的数据拟合 而一直未能给出实验前的预测实例和实验验证

此外文献 27

针对复合材料修补结构应力分布

复杂的特点 在剩余强度衰减模型的基础上引入局部应力应变法的分析思想 建立起复合材料修补结构的疲劳寿命预测模型 在剩余强度衰减模型和希尔提出的各向异性材料塑性条件基础上建立单向层合板在任意应力状态下的疲劳破坏准则

而对于缺陷对复合材料结构疲劳寿命影响研

究 文献 2

研究结果表明 试件疲劳破坏的起始位

置与预制缺陷位置一致 含分层缺陷复合材料结构的疲劳寿命不仅与缺陷尺寸 而且与缺陷位置有关 该研究结果为制定生产和使用过程中缺陷或损伤的控制标准提供重要依据

折算; 载荷谱的高~低载的截除; 载荷谱与环境谱的叠加原则等问题一直是急待解决的工程技术难题

3发展趋势及展望

可以说复合材料疲劳理论是一项复杂的系统工程 由于复合材料的自身的复杂性 失效形式的多样性 测试方法和实验条件 以及具体研究者兴趣与专业的局限等因素影响 都使目前的研究将仍处于探索阶段 还没有系统性可言 从严格意义上讲 这些方法仍然处于不断发展和完善阶段 展望未来复合材料的疲劳理论将集中在以下几个方面:C 1) 针对不同专业 复合材料疲劳机理的研究将更加深入 更加富有系统性

C 2) 由于实际工程中材料的各向异性以及经常会面临变幅循环载荷的作用的载荷情况 所以变幅载荷作用下的各向异性的复合材料疲劳特性的研究成为必然

C 3) 现有各类模型都是只考虑一个材料属性参量进行维象构筑的 对于疲劳损伤失效多变量系统工程问题来说还不够合理 因此多参数模型的建立 将是未来的发展方向

C 4) 有限元技术提供了一种预测材料宏观性能的方法 在复合材料微观结构与力学性能的分析和预测中会得到广泛应用

C 5) 利用计算机数值模拟三维研究将逐渐增多 建立构件的三维CA 模型 应用网格自动划分功能建立有限元模型 将有限元分析得到的应力/应变结果与疲劳寿命分析理论相结合计算出构件各个部位的寿命 绘出构件整体寿命分布图 是未来技术的发展趋势

C ) 为了适应工程技术的需求 有必要而且必须研究10 1012周次内复合材料的高周疲劳行为和疲劳机理 因此进行高周疲劳研究也很必需 C 7) 复合材料结构在生产和使用过程中不可避免地会出现各种缺陷或损伤 这些缺陷或损伤必然会导致结构的疲劳寿命降低 因此 研究各种缺陷或损伤对复合材料结构疲劳寿命的影响. 也将成为

第3期何春林等:复合材料疲劳理论研究进展

[15][1 ][17][1 ][19][20]一50. [21]143

复合材料研究领域的关键技术问题之一.

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! 上接第171页" 过政府投资~价格和税收等政策予以引导 逐步建立因此 改革工程运作模式 加强建筑师对工程全过程的控制 已经是急需解决的问题O 其办法是:首先在立项时就应该有绿色建筑的创意要求 按照绿色建筑体系的要求进行可行性研究O 其次延伸设计单位的服务领域 按照国际通行的咨询{F I I C }服务模式来运作 服务的对象应该包括业主~承包商~金融机构等 实施各种项目总承包的方式为建设工程提供全过程的服务O

起对绿色建筑灵活有效的支持机制O

关于绿色税收的概念 已经在许多行业和部门得到了认可 有的已经付之行动 其出发点就是可持续发展的三个基本原则:代内公平~代际公平和公平分配有限资源的公平原则 克服相关市场和外部效应 以更好地创造平等与效率O

总之 推动绿色建筑设计要依靠全社会生态意识的提高 依靠市场机制的驱动 依靠政府政策法规的规范与引导 但建筑设计人员的先觉无疑是最重要的关键O

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绿色税收制度

绿色建筑体系是建筑业和房地产业追求的目标 也必须对其产业政策重新审视 政策改革要配套 通

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复合材料疲劳理论研究进展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

何春林， 龚成中， 邢静忠

何春林(兰州理工大学,甘肃,兰州730050;淮阴工学院,江苏,淮安223001)， 龚成中(淮阴工学院,江苏,淮安223001)， 邢静忠(兰州理工大学,甘肃,兰州730050)甘肃科技

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