复合材料层合板疲劳行为研究

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. I I

第 1 章绪论 (1)

1.1 课题研究背景和意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.2.1 织物复合材料 (2)

1.2.2 复合材料疲劳破坏机理研究 (2)

1.2.3 复合材料层合板疲劳寿命预测 (8)

1.3 本文的主要研究内容 (11)

第 2 章复合材料层合板疲劳寿命预测方法 (12)

2.1 引言 (12)

2.2 复合材料应力分析 (12)

2.3 层合板疲劳失效模式及破坏准则 (14)

2.4 损伤破坏过程中材料性能折减方法 (16)

2.5 损伤累积过程中材料性能逐渐退化方法 (17)

2.5.1 等寿命模型 (17)

2.5.2 刚度和强度退化公式 (18)

2.6 本章小结 (19)

第 3 章织物单向板疲劳性能试验研究 (20)

3.1 引言 (20)

3.2 试验设备 (20)

3.3 ()160,90???

?织物单向板疲劳性能试验研究 ........................................................ 21 3.3.1 ()160,90???

?织物单向板准静态拉伸试验 ..................................................... 21 3.3.2 ()160,90???

?织物单向板拉-拉疲劳试验 ....................................................... 24 3.4 ()1645±???

?织物单向板疲劳性能试验研究 ......................................................... 28 3.4.1 ()1645±???

?织物单向板准静态拉伸试验 ...................................................... 29 3.4.2 ()1645±???

?织物单向板拉-拉疲劳试验 ........................................................ 32 3.5 本章小结 . (36)

第 4 章织物层合板疲劳寿命预测与试验验证 (38)

4.1 引言 (38)

4.2 UMAT材料子程序 (38)

4.3 织物层合板疲劳寿命预测 (39)

4.3.1 输入参数 (39)

4.3.2 有限元模型 (41)

4.3.3 ABAQUS疲劳分析 (41)

4.3.4 模拟结果 (43)

4.4 织物层合板疲劳性能试验验证 (47)

4.4.1 织物层合板准静态拉伸试验 (48)

4.4.2 织物层合板拉-拉疲劳试验 (50)

4.5 本章小结 (51)

结论 (53)

参考文献 (54)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (58)

致谢 (59)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

第 1 章绪论

1.1课题研究背景和意义

复合材料具有比强度高、比模量高、材料具有可设计性以及抗疲劳、抗冲击等优良性能，能够很好的满足船舶、汽车和航空航天等工业领域里对材料提出的强度高、质量轻、隔热性能好等要求，因此得到了广泛的应用。在航空航天领域更是有“一代材料，一代飞机[1, 2]”的说法，充分证明了复合材料在航空航天领域的重要性。

纤维增强复合材料可以分为两类[3]：单向纤维增强复合材料，其单层材料是由纤维沿着一个方向整齐排列而成；织物复合材料，其单层材料是由纤维相互交织而成（每一层可能有不同的编织形式）。织物复合材料与单向纤维增强复合材料相比具有更优良的性能。织物复合材料层合板由于在单层中纤维相互交织，使结构更加稳定、层间强度增加、具有良好的抗分层性能[4, 5]。一般单向纤维增强层合板横向方向的强度比纵向强度小很多，而对于织物复合材料的单层结构，纤维束相互交织排布，增强了单层结构横向方向的强度，减少了横向断裂的可能性。织物复合材料的诸多优势，使其在航空航天领域的应用前景越来越广阔，也引起了广大学者们的关注[6]。

空天飞行器[7]在飞行过程中往往由于承受振动载荷、阵风以及地-空-地循环载荷而产生低周疲劳问题，据统计，飞机发生的断裂事故，80%以上都是由疲劳引起的。疲劳问题已经成为当前航空航天领域不可避免的严重问题之一。随着复合材料在航天工程中的普遍应用，复合材料结构的疲劳问题也就成为亟待解决的问题之一。

目前国内外关于复合材料疲劳问题的研究，多数都是以疲劳试验为主，然而疲劳试验耗时长、成本高，而且这些试验所得的结论并不具有可推广性[8]。随着疲劳理论的逐步完善和有限元软件的快速发展，利用有限元软件进行疲劳分析必将成为未来研究疲劳问题的重要方法。目前已经有不少学者使用数值模拟的方法探讨复合材料的疲劳问题，但是关于织物复合材料结构疲劳问题所进行的研究却是少之又少。本文正是基于这样的情况，从织物单层复合材料的疲劳试验出发，探究织物复合材料层合结构的疲劳性能，引入强度、刚度退化公式和疲劳失效准则，发展一种适用于织物复合材料层合结构的疲劳累积损伤失效分析和寿命预测方法。同时，利用有限元软件ABAQUS，编写疲劳分析的UMAT材料子程序。