复合材料层合板疲劳寿命分析.pdf

中国民用航空学院
硕士学位论文
复合材料层合板疲劳寿命分析
姓名:蔡荣
申请学位级别:硕士
专业:航空宇航推进理论与工程
指导教师:徐建新
20040110
摘要关键词:复合材料;本文利用碳纤维复合材料层合板在常幅疲劳载荷作用下的冈度变化,来监测复合材料层合板疲劳损伤的累积,随着损伤的累积达到临界值肆俳缰等【鲇循环最大应力苹稻筒耍佣梢杂美丛げ馐倜N闹心P突瓜允玖颂枷维复合材料层合板刚度变化与横向基体开裂裂纹的积累之间的关系,推导出刚度降寿命预测模型,并通过试验来验证模型的准确程度。本文选用三种铺层材料://一/海/一!/,分别进行疲劳试验,获得试件在不同应力水平下的剐度变化规律,最终对试验结果进行一些定性的分析。刚度变化:损伤;疲劳寿命中国民用航空学院域』宦垡
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筮笠∥一整中国民用航空学院学位论文独创性声明中国民用航空学院学位论文使用授权声明如。只二./,本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导械难芯俊浚鹤骷叭〉玫难芯砍果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致游的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中国民用航空学院或其它教育机构的学位或证件而使用过的材料。与我~同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名:日期—”’中国民用航空学院、中国科学技术信息研究所、国家图二碡馆有权保留本人所送交学位论文的复印件年¨屯子文档,可以采影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人屯子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布ǹ论文的全部或部分内容。论文的公布ǹ授权中国民用航空学院研究生部办理。导师签名ǹ诤酰.
第一章概述引言国内外研究现状复合材料是一种新近发展起来的新材料。这种新型材料发展前途很大,应用也非常广泛。当今占应用主导地位的为纤维增强复合材料宋銮扛春材料由于比强度和比刚度高而广泛应用于船舶、化工、汽车和航空航天等领域。纤维增强复合材料在飞机的主要结构中的应用始予年代初,用于飞机的纤维增强树脂基复合材料层合板或层合结构,随着复合材料在飞机主结构上的大量应用,要求其设计许用应变的提高,复合材料结构的疲劳成为飞机设计师迫切关心的问题之一,因而受到广泛重视。美国在制定世纪复合材料强度研究规划时,将疲劳设计和寿命估算列为重点研究课题。欧洲航天局谕的考虑,也一直把它列为重点课题,投入了大量的经费。由于碳纤维性能好、纤维类型和规格多、成本适中等因素,在飞机结构上应用最广。芳纶性能尚佳,但在湿热环境下性能明显下降,一般不用作飞机主承力结构,多与碳纤维混杂使用。玻璃纤维由于模量低,仅用于次要结构髡帧舱内装饰材料用等涞缧阅堋⑼覆ㄐ允室酥谱骼状镎值取E鹣宋蚱湎维直径太粗又刚硬,成型和加工性不好,价格又十分昂贵,故应用十分有限。连续纤维树脂基复合材料捎谄涓叩谋惹慷取⒈雀斩群秃玫钠@投狭研阅芏日益成为高性能工程结构材料。但是目前常常由于现有的疲劳寿命估算方法不够成熟丽使长寿命复合材料结构设计不尽合理。在过去年中,已提出了不少针对复合材料疲劳寿命的预测方法。这些方法基本上可归并为基于强度的模型或基于刚度的模型。基于刚度的模型以剩余刚度作为疲劳损伤的度量,其优点是刚度可在试验过程中可连续测量,但破坏准则难以确定。与此相反,基于强度的模型有着天然的破坏准则,但剩余强度试验既花钱又费力。本文采用的是基于刚度的与以往研究金属材料疲劳问题的方法有很大的差别,研究复合材料疲劳问题相对要复杂得多,其差别主要来源于复合材料层合板的各向异性、脆性和非匀质性,特别是层间性能远低于层内性能等特点。另外,复合材料构件在制造、加工、运输过程中可能会受到外部环境等因素影响,而不同程度地带有各种缺陷或损伤。复合材料损伤与金属差别主要表现在以下几方面⋯:盐剖腔崾艚峁沟闹饕K鹕诵问剑春喜牧系乃鹕诵问绞墙缑嫱呀骸分层和低能量乇鹗堑退外来物产生的冲击损伤。春喜牧暇睬慷热笨诿舾行栽陡哂诮鹗簦馐怯捎诮鹗粢话愣季哂星阶段,而复合材料往往直至破坏其应力一应变曲线仍呈现线性。方法。中国民用航空学院硼宦畚
春喜牧系钠@腿笨诿舾行栽兜陀诮鹗簦淦@腿笨谙凳缎∮诰灿α集中系数,并且在中长寿命情况下接近鹗粢话愣云@捅冉厦舾校乇鹗呛笨诮峁故芾焕@褪保淦@强度会急剧下降,但复合材料一般都有优良的疲劳性能,对于常用的纤维增强多向层合板,在拉一拉疲劳下,它能在最大应力为%极限拉伸强度的载荷下经受窝贰T诶焕蜓挂谎蛊@拖拢淦@颓慷嚷缘鸵恍窝范杂的疲劳强度均不低于相应静强度的%。褪褂霉讨型饫次锏某寤鞫伎赡芤鸶春喜牧辖峁鼓诓坎范围基体开裂和分层,其外表面往往目视不可检,但此时起压缩承载能力已大幅度下降。分层是复合