碳纤维增强树脂基复合材料组分疲劳强度表征

        碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料以其优异的高比模量、高比强度、耐疲劳、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点使其成为了继钛合金之后航空航天领域广泛应用的材料。碳纤维增强复合材料所制备的构件也正经历着从非承力构件到承力构件的转变，从简单构件到复杂构件的转变。复合材料由于其正交各向异性及层间性能远低于层内性能，使其疲劳性能远不同于金属材料。此外在复合材料加工制造过程中及运输和外部环境的影响，使得疲劳性能具有很大的分散性，其分散性高达 20%以上。关于对复合材料疲劳性能的准确表征决定着结构件的寿命及安全性问题，因此许多学者对于复合材料疲劳性能的研究都做出了大量工作。但是目前，在复合材料结构评价中使用较为广泛的强度理论仍是传统宏观强度理论，这些理论主要是基于数学近似公式建立起来的，在实际受力情况下预测误差偏大，并在进行失效机制分析时要么不能判断要么分析偏差较大。理论方面的滞后必然会对 CFRP 复合材料的应用造成影响。为了克服宏观强度理论的这些缺陷，建立一种基于失效物理的复合材料强度理论势在必行，这对于推进 CFRP 复合材料的结构设计及应用具有重要意义。
 

        本文对微观力学失效(Micro-mechanics offailure, MMF)理论的应用做了扩展，将其进一步用于分析 CFRP 复合材料三维结构的疲劳强度。基于面心立方单元模型有限元分析和单向层合板疲劳实验得到的 S-N 曲线，分析了不同疲劳周次下的组分微观应力状态。利用 MMF 理论提取了UTS50/E51 层合板纤维和基体树脂的 MMF 疲劳强度特征值 S-N 曲线。使用开发的分析方法对UTS50/E51 多向层合板结构的疲劳拉伸强度进行评价。

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