复合材料层合板分层疲劳性能研究进展

复合材料层合板分层疲劳性能研究进展

陈春露单鹏宇

哈尔滨玻璃钢研究院有限公司

复合材料层合板具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好等一系列优点，能满足飞机结构重量轻、寿命长和可靠性高等特殊技术要求，已广泛应用于各航天航空领域。与此同时，许多和复合材料有关的问题逐渐凸显出来，如疲劳和耐久性，以及疲劳下的裂纹扩展及由此引起的分层现象。由于复合材料层合板在工作中经常受到交变载荷的作用，所以对于层合板的疲劳研究，人们给予越来越多的关注[1]，层合板的疲劳性能对复合材料的损伤容限设计、耐久性设计等有重要的意义。

1传统疲劳模型

传统的疲劳模型，如剩余刚度模型[2、3、5]、剩余强度模型[3、4]和疲劳寿命模型[6-11]，是通过建立材料结构的S-N曲线来估算材料结构的疲劳可靠性。这类宏观模型作为设计工具，已广泛应用于工程结构。但是，宏观模型的估算结果通常是保守的，并且不能够建立损伤和循环数间的关系。

2分层疲劳模型

研究疲劳损伤扩展问题最著名的，也是最为广泛应用的是Paris法则。该法则将疲劳裂纹扩展速率与能量释放率和模式比联系起来。

3模拟

F.Shen[12]等采用虚拟裂纹闭合技术使用三维有限元模型模拟了含不同厚度圆形分层的编织和非编织复合材料的分层，计算了分层前缘应变能量释放率分布和分层前缘随循环次数的增长，并讨论了对称和非对称边界的情况，结果显示：纤维排布方向对局部应变能释放率分布有很大的影响；为节省计算时间普遍采用的四分之一模型由于边界作用会带来一定的误差。

S.C.Pradhan和T.E.Tay[13]采用三维有限元单元用ABAQUS软件模拟了中间带圆孔的聚四氟乙烯分层对碳纤维编织复合材料在压缩疲劳载荷下应变能释放率随分层前缘的变化，并用超声C扫描仪确定分层的扩展状态。模拟与实验结果显示良好的吻合。

4三种不同类型试验研究

4.1Ⅰ型和Ⅱ型

5结论及展望

TETay[18]曾对1990-2001年的层合板分层疲劳断裂的描述和分析的发展进行了回顾。本文对近年各种分层疲劳扩展的模型、数值模拟、Ⅰ型II型和混合型分层疲劳试验的研究进展进行了总结。由于不同的铺层形式、成型工艺、固化制度、载荷条件和环境等因素，会导致不同的分层疲劳的过程、机制和性能。现有的各种研究对于各种影响分层疲劳性能的因素并没有十分周全的考虑，很多只是对于实验结果的半经验拟合。提出包含各种影响因素的分层疲劳模型，发展更符合实际的层间单元模型，以及对分层疲劳微观机制的进一步研究，是未来分层疲劳研究的主要方向。

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