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技術文章

單向復合材料層合板的多軸失效行為和疲勞壽命預測

技術文章
1.引言

      復合材料因其出色的力學性能和廣泛的應用領域而受到廣泛關注。然而,復合材料在多軸應力狀態下的疲勞壽命預測一直是一個具有挑戰性的問題,涉及多種失效模式和損傷機制的耦合。傳統的疲勞壽命預測模型往往難以準確捕捉復合材料在多軸應力下的復雜失效行為。目前,已經有一些研究致力于開發復合材料的多軸疲勞壽命預測模型。然而,這些模型往往基于復雜的理論和算法,難以實際應用。此外,現有的模型往往忽略了自然復合材料失效特性對復合材料疲勞壽命的影響,導致預測結果不夠準確。因此,發展一種基于自然復合材料失效特性的復合材料多軸疲勞壽命預測模型具有重要意義。

      近日,TOP期刊《Composites Science and Technology》發表了南京航空航天大學在復合材料的多軸疲勞失效行為方面的研究,提出了一種基于自然復合材料失效特性的多軸疲勞壽命預測模型。論文標題為“Multiaxial failure behavior and fatigue life prediction of unidirectional composite laminates"。

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2.研究內容及方法


      該研究通過對復合材料在多軸應力下的失效行為進行深入研究,建立了一個能夠準確預測復合材料疲勞壽命的模型。研究團隊制備了單向層合板試樣,搭建了相應的疲勞試驗裝置。試驗過程中,對試樣施加了不同的多軸應力組合,包括拉伸-扭轉復合加載等,詳細記錄了試樣的疲勞壽命、失效模式以及損傷演化過程。為了更準確地預測復合材料的疲勞壽命,提出了一種基于天然復合材料失效經驗的多軸疲勞壽命預測模型。該模型考慮了多軸應力對基體剪切失效的復雜耦合效應,并通過引入修正項對復合材料在縱向和橫向應力作用下的基體剪切失效進行了描述。

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圖1.典型單向層合板在纖維方向拉伸疲勞載荷作用下的失效形貌


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圖2.扭轉加載后竹材破壞形貌    


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圖3. 局部纖維方向細觀損傷形態示例


     建立了相應的數值分析模型來模擬復合材料的多軸疲勞失效過程,采用了有限元方法(FEM)進行模擬分析。模擬結果表明,縱向裂紋出現后,管狀試樣的軸向剛度幾乎沒有變化,而扭轉剛度顯著降低約50%。這說明縱向單裂紋分裂應被包含在基本的多軸失效模式中,因為它與天然復合材料的扭轉剛度大幅降低相似。   

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圖4. 用于驗證的FEM模型


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圖5.位移剛度模擬結果 (a)裂紋試件的位移 (b)完整試件的位移


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圖6.多層GFRP管狀試件典型多軸疲勞破壞形貌


通過多組實驗驗證,研究發現該預測模型能夠較好地預測復合材料在多軸應力作用下的疲勞壽命。預測結果與實驗數據大多在三倍范圍內,表明該模型具有一定的可靠性和準確性。此外,文章還比較了該方法與傳統基于應力的疲勞準則的預測精度,發現該方法在預測偏軸層合板和單向管狀試樣的壽命時具有更高的準確性。

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圖7.管狀樣品在拉扭轉疲勞載荷下的 3D-DIC 圖像 


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圖8.偏軸試樣和多軸單向管狀試樣的實驗和預測疲勞壽命與傳統標準的比較
3.總結


該研究通過對復合材料的多軸疲勞失效行為進行深入分析,提出了一種基于自然復合材料失效特性的多軸疲勞壽命預測模型。該模型考慮了復合材料在多軸應力下的復雜失效行為,并量化了縱向應力和剪切應力對疲勞壽命的影響。通過對比實驗結果和預測結果,驗證了該模型的準確性和可靠性。該研究為復合材料的多軸疲勞壽命預測提供了新的思路和方法,對于推動復合材料在實際應用中的更廣泛應用具有重要意義。


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