摘 要：該文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下和濕熱環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)，對(duì)完成規(guī)定疲勞壽命的層板試驗(yàn)件進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞性能基本無(wú)影響，并對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞性能的后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 濕熱環(huán)境 疲勞性能

中圖分類號(hào)：V258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纖維復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料，其密度小、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，一經(jīng)問(wèn)世就顯示了強(qiáng)大的生命力。作為一種先進(jìn)的航空航天材料，其越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役期間，反復(fù)作用的疲勞載荷是內(nèi)部構(gòu)件承受的主要載荷[5]。同時(shí)，濕熱環(huán)境將會(huì)影響復(fù)合材料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，在復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證中需要考慮環(huán)境的影響。本文針對(duì)復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境的疲勞性能進(jìn)行了研究。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞特性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞特性與金屬結(jié)構(gòu)的疲勞特性有較大差別。

金屬結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結(jié)構(gòu)受拉拉疲勞時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)急劇下降，但復(fù)合材料一般都有優(yōu)良的耐疲勞性能。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層板，在拉-拉疲勞下，它能在最大應(yīng)力為80%極限拉伸強(qiáng)度的載荷下經(jīng)受106次循環(huán)。在拉-壓或壓-壓疲勞下，其疲勞強(qiáng)度略低一些，但106次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度一般約為相應(yīng)靜強(qiáng)度的50%。特別是壓-壓疲勞下含沖擊損傷試驗(yàn)在106次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，一般不低于相應(yīng)靜強(qiáng)度的60%[6]。由于目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值主要取決于損傷容限許用值，在這樣的應(yīng)變水平下，通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有無(wú)限壽命，這就是“靜力覆蓋疲勞”的含義。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師通常利用材料的疲勞門檻值，來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常按照疲勞損傷無(wú)擴(kuò)展的概念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響

碳纖維復(fù)合材料由基體材料和碳纖維增強(qiáng)材料組成。其中碳纖維增強(qiáng)體在復(fù)合材料中起主要作用，提供剛度和強(qiáng)度，基本控制其性能。基體起配合作用，支持和固定碳纖維，改善復(fù)合材料的性能。

通常情況下，除了極高的溫度，一般都不考慮濕熱對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則必須考慮濕熱環(huán)境的影響。碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體是吸濕的，隨著吸濕擴(kuò)展，會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的吸濕量分布。這樣，不僅會(huì)降低碳纖維的抗腐蝕阻力，還會(huì)使基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，從而引起由基體控制的力學(xué)性能，如壓縮、剪切等性能的下降，影響其強(qiáng)度和剛度。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)濕熱環(huán)境敏感，濕熱環(huán)境將會(huì)影響復(fù)合材料層板的物理性能、力學(xué)性能和破壞模式[7]。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的選材、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程中都要考慮濕熱環(huán)境的影響。目前，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的“積木式”試驗(yàn)驗(yàn)證體系中已經(jīng)明確提出要考慮濕熱環(huán)境的影響。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)證過(guò)程中，需要進(jìn)行充足的元件或試驗(yàn)試驗(yàn)，來(lái)確定疲勞分散性和環(huán)境影響，本文對(duì)復(fù)合材料層板環(huán)境影響下的疲勞性能研究，正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，為后續(xù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的部件疲勞試驗(yàn)環(huán)境影響提供支持。

3 環(huán)境影響下的疲勞性能試驗(yàn)

選用碳纖維織物和碳纖維單向帶兩種類型的復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境如表1所示，試驗(yàn)件數(shù)量及試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

碳纖維織物層板和碳纖維單向帶層板的試驗(yàn)件尺寸大小相同，如圖1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)需要進(jìn)行濕熱環(huán)境的試驗(yàn)件進(jìn)行預(yù)浸，預(yù)浸過(guò)程在預(yù)浸環(huán)境箱中進(jìn)行。碳纖維織物層板試驗(yàn)件和碳纖維單向帶層板試驗(yàn)件分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下拉-壓疲勞試驗(yàn)和濕熱環(huán)境下的拉-壓疲勞試驗(yàn)。完成106次循環(huán)后的試驗(yàn)件處理成干態(tài)并冷卻至室溫后，再進(jìn)行剩余強(qiáng)度壓縮試驗(yàn)。

開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：-開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度，MPa；-破壞載荷，KN；-毛界面面積（忽略孔），mm2。

通過(guò)名義孔徑對(duì)壓縮強(qiáng)度進(jìn)行修正。

式中：-修正后的壓縮強(qiáng)度，MPa；-實(shí)際孔徑大小，mm；D-名義孔徑大小，mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)，最終得到碳纖維織物和單向帶層板的破壞載荷以及修正后的壓縮強(qiáng)度，濕熱環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境疲勞后剩余強(qiáng)度的對(duì)比如表3所示。

用ABAQUS對(duì)試件進(jìn)行理論分析，根據(jù)已有的幾何尺寸建立有限元模型，計(jì)算得到試驗(yàn)件的失效模式。理論計(jì)算得出破壞載荷與試驗(yàn)載荷基本一致，碳纖維織物和碳纖維單向帶層板試驗(yàn)件的基體破壞模式分別如圖2、圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果及分析可以表明，濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板疲勞壽命的影響可以忽略。在碳纖維復(fù)合材料全尺寸疲勞試驗(yàn)中，可以忽略濕熱環(huán)境對(duì)疲勞壽命的影響。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板濕熱環(huán)境下的疲勞性能進(jìn)行了研究，給出了結(jié)論。對(duì)于金屬材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法進(jìn)行疲勞分析。然而，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞分析多是理論模型，缺乏有效的工程計(jì)算方法，這將會(huì)是復(fù)合材料疲勞分析的重要研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24（1）：1-12.

[2] 沈軍，謝懷勤.航空用復(fù)合材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2006，（5）：48-52.

[3] Rebecca A.Atadero，Vistasp M.Karbhari，Calibration of resistance factors for reliability based design of externally-bonded FRP composites[J]. Composites Part B，2008（6）：665-679.

[4] Marouani S，Curtil L，Hamelin P.Composites realized by hand lay-up process in a civil engineering environment initial properties and durability[J]. Materials and structures，2008，（6）：831-851.

[5] 張阿櫻，張東興，李紅地，等.碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板疲勞性能研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2010（6）：70.

[6] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004，6.

[7] 金暉.民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)環(huán)境因子確定方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2012（S1）：34-37.

[8] 宋磊磊，李嘉祿.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞性能研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（3）：4.endprint

摘 要：該文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下和濕熱環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)，對(duì)完成規(guī)定疲勞壽命的層板試驗(yàn)件進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞性能基本無(wú)影響，并對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞性能的后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 濕熱環(huán)境 疲勞性能

中圖分類號(hào)：V258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纖維復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料，其密度小、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，一經(jīng)問(wèn)世就顯示了強(qiáng)大的生命力。作為一種先進(jìn)的航空航天材料，其越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役期間，反復(fù)作用的疲勞載荷是內(nèi)部構(gòu)件承受的主要載荷[5]。同時(shí)，濕熱環(huán)境將會(huì)影響復(fù)合材料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，在復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證中需要考慮環(huán)境的影響。本文針對(duì)復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境的疲勞性能進(jìn)行了研究。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞特性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞特性與金屬結(jié)構(gòu)的疲勞特性有較大差別。

金屬結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結(jié)構(gòu)受拉拉疲勞時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)急劇下降，但復(fù)合材料一般都有優(yōu)良的耐疲勞性能。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層板，在拉-拉疲勞下，它能在最大應(yīng)力為80%極限拉伸強(qiáng)度的載荷下經(jīng)受106次循環(huán)。在拉-壓或壓-壓疲勞下，其疲勞強(qiáng)度略低一些，但106次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度一般約為相應(yīng)靜強(qiáng)度的50%。特別是壓-壓疲勞下含沖擊損傷試驗(yàn)在106次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，一般不低于相應(yīng)靜強(qiáng)度的60%[6]。由于目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值主要取決于損傷容限許用值，在這樣的應(yīng)變水平下，通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有無(wú)限壽命，這就是“靜力覆蓋疲勞”的含義。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師通常利用材料的疲勞門檻值，來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常按照疲勞損傷無(wú)擴(kuò)展的概念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響

碳纖維復(fù)合材料由基體材料和碳纖維增強(qiáng)材料組成。其中碳纖維增強(qiáng)體在復(fù)合材料中起主要作用，提供剛度和強(qiáng)度，基本控制其性能?；w起配合作用，支持和固定碳纖維，改善復(fù)合材料的性能。

通常情況下，除了極高的溫度，一般都不考慮濕熱對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則必須考慮濕熱環(huán)境的影響。碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體是吸濕的，隨著吸濕擴(kuò)展，會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的吸濕量分布。這樣，不僅會(huì)降低碳纖維的抗腐蝕阻力，還會(huì)使基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，從而引起由基體控制的力學(xué)性能，如壓縮、剪切等性能的下降，影響其強(qiáng)度和剛度。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)濕熱環(huán)境敏感，濕熱環(huán)境將會(huì)影響復(fù)合材料層板的物理性能、力學(xué)性能和破壞模式[7]。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的選材、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程中都要考慮濕熱環(huán)境的影響。目前，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的“積木式”試驗(yàn)驗(yàn)證體系中已經(jīng)明確提出要考慮濕熱環(huán)境的影響。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)證過(guò)程中，需要進(jìn)行充足的元件或試驗(yàn)試驗(yàn)，來(lái)確定疲勞分散性和環(huán)境影響，本文對(duì)復(fù)合材料層板環(huán)境影響下的疲勞性能研究，正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，為后續(xù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的部件疲勞試驗(yàn)環(huán)境影響提供支持。

3 環(huán)境影響下的疲勞性能試驗(yàn)

選用碳纖維織物和碳纖維單向帶兩種類型的復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境如表1所示，試驗(yàn)件數(shù)量及試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

碳纖維織物層板和碳纖維單向帶層板的試驗(yàn)件尺寸大小相同，如圖1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)需要進(jìn)行濕熱環(huán)境的試驗(yàn)件進(jìn)行預(yù)浸，預(yù)浸過(guò)程在預(yù)浸環(huán)境箱中進(jìn)行。碳纖維織物層板試驗(yàn)件和碳纖維單向帶層板試驗(yàn)件分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下拉-壓疲勞試驗(yàn)和濕熱環(huán)境下的拉-壓疲勞試驗(yàn)。完成106次循環(huán)后的試驗(yàn)件處理成干態(tài)并冷卻至室溫后，再進(jìn)行剩余強(qiáng)度壓縮試驗(yàn)。

開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：-開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度，MPa；-破壞載荷，KN；-毛界面面積（忽略孔），mm2。

通過(guò)名義孔徑對(duì)壓縮強(qiáng)度進(jìn)行修正。

式中：-修正后的壓縮強(qiáng)度，MPa；-實(shí)際孔徑大小，mm；D-名義孔徑大小，mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)，最終得到碳纖維織物和單向帶層板的破壞載荷以及修正后的壓縮強(qiáng)度，濕熱環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境疲勞后剩余強(qiáng)度的對(duì)比如表3所示。

用ABAQUS對(duì)試件進(jìn)行理論分析，根據(jù)已有的幾何尺寸建立有限元模型，計(jì)算得到試驗(yàn)件的失效模式。理論計(jì)算得出破壞載荷與試驗(yàn)載荷基本一致，碳纖維織物和碳纖維單向帶層板試驗(yàn)件的基體破壞模式分別如圖2、圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果及分析可以表明，濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板疲勞壽命的影響可以忽略。在碳纖維復(fù)合材料全尺寸疲勞試驗(yàn)中，可以忽略濕熱環(huán)境對(duì)疲勞壽命的影響。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板濕熱環(huán)境下的疲勞性能進(jìn)行了研究，給出了結(jié)論。對(duì)于金屬材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法進(jìn)行疲勞分析。然而，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞分析多是理論模型，缺乏有效的工程計(jì)算方法，這將會(huì)是復(fù)合材料疲勞分析的重要研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24（1）：1-12.

[2] 沈軍，謝懷勤.航空用復(fù)合材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2006，（5）：48-52.

[3] Rebecca A.Atadero，Vistasp M.Karbhari，Calibration of resistance factors for reliability based design of externally-bonded FRP composites[J]. Composites Part B，2008（6）：665-679.

[4] Marouani S，Curtil L，Hamelin P.Composites realized by hand lay-up process in a civil engineering environment initial properties and durability[J]. Materials and structures，2008，（6）：831-851.

[5] 張阿櫻，張東興，李紅地，等.碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板疲勞性能研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2010（6）：70.

[6] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004，6.

[7] 金暉.民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)環(huán)境因子確定方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2012（S1）：34-37.

[8] 宋磊磊，李嘉祿.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞性能研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（3）：4.endprint

摘 要：該文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下和濕熱環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)，對(duì)完成規(guī)定疲勞壽命的層板試驗(yàn)件進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞性能基本無(wú)影響，并對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞性能的后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 濕熱環(huán)境 疲勞性能

中圖分類號(hào)：V258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纖維復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料，其密度小、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，一經(jīng)問(wèn)世就顯示了強(qiáng)大的生命力。作為一種先進(jìn)的航空航天材料，其越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役期間，反復(fù)作用的疲勞載荷是內(nèi)部構(gòu)件承受的主要載荷[5]。同時(shí)，濕熱環(huán)境將會(huì)影響復(fù)合材料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，在復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證中需要考慮環(huán)境的影響。本文針對(duì)復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境的疲勞性能進(jìn)行了研究。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞特性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞特性與金屬結(jié)構(gòu)的疲勞特性有較大差別。

金屬結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結(jié)構(gòu)受拉拉疲勞時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)急劇下降，但復(fù)合材料一般都有優(yōu)良的耐疲勞性能。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層板，在拉-拉疲勞下，它能在最大應(yīng)力為80%極限拉伸強(qiáng)度的載荷下經(jīng)受106次循環(huán)。在拉-壓或壓-壓疲勞下，其疲勞強(qiáng)度略低一些，但106次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度一般約為相應(yīng)靜強(qiáng)度的50%。特別是壓-壓疲勞下含沖擊損傷試驗(yàn)在106次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，一般不低于相應(yīng)靜強(qiáng)度的60%[6]。由于目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值主要取決于損傷容限許用值，在這樣的應(yīng)變水平下，通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有無(wú)限壽命，這就是“靜力覆蓋疲勞”的含義。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師通常利用材料的疲勞門檻值，來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常按照疲勞損傷無(wú)擴(kuò)展的概念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響

碳纖維復(fù)合材料由基體材料和碳纖維增強(qiáng)材料組成。其中碳纖維增強(qiáng)體在復(fù)合材料中起主要作用，提供剛度和強(qiáng)度，基本控制其性能?；w起配合作用，支持和固定碳纖維，改善復(fù)合材料的性能。

通常情況下，除了極高的溫度，一般都不考慮濕熱對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則必須考慮濕熱環(huán)境的影響。碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體是吸濕的，隨著吸濕擴(kuò)展，會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的吸濕量分布。這樣，不僅會(huì)降低碳纖維的抗腐蝕阻力，還會(huì)使基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，從而引起由基體控制的力學(xué)性能，如壓縮、剪切等性能的下降，影響其強(qiáng)度和剛度。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)濕熱環(huán)境敏感，濕熱環(huán)境將會(huì)影響復(fù)合材料層板的物理性能、力學(xué)性能和破壞模式[7]。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的選材、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程中都要考慮濕熱環(huán)境的影響。目前，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的“積木式”試驗(yàn)驗(yàn)證體系中已經(jīng)明確提出要考慮濕熱環(huán)境的影響。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)證過(guò)程中，需要進(jìn)行充足的元件或試驗(yàn)試驗(yàn)，來(lái)確定疲勞分散性和環(huán)境影響，本文對(duì)復(fù)合材料層板環(huán)境影響下的疲勞性能研究，正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，為后續(xù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的部件疲勞試驗(yàn)環(huán)境影響提供支持。

3 環(huán)境影響下的疲勞性能試驗(yàn)

選用碳纖維織物和碳纖維單向帶兩種類型的復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境如表1所示，試驗(yàn)件數(shù)量及試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

碳纖維織物層板和碳纖維單向帶層板的試驗(yàn)件尺寸大小相同，如圖1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)需要進(jìn)行濕熱環(huán)境的試驗(yàn)件進(jìn)行預(yù)浸，預(yù)浸過(guò)程在預(yù)浸環(huán)境箱中進(jìn)行。碳纖維織物層板試驗(yàn)件和碳纖維單向帶層板試驗(yàn)件分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下拉-壓疲勞試驗(yàn)和濕熱環(huán)境下的拉-壓疲勞試驗(yàn)。完成106次循環(huán)后的試驗(yàn)件處理成干態(tài)并冷卻至室溫后，再進(jìn)行剩余強(qiáng)度壓縮試驗(yàn)。

開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：-開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度，MPa；-破壞載荷，KN；-毛界面面積（忽略孔），mm2。

通過(guò)名義孔徑對(duì)壓縮強(qiáng)度進(jìn)行修正。

式中：-修正后的壓縮強(qiáng)度，MPa；-實(shí)際孔徑大小，mm；D-名義孔徑大小，mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)，最終得到碳纖維織物和單向帶層板的破壞載荷以及修正后的壓縮強(qiáng)度，濕熱環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境疲勞后剩余強(qiáng)度的對(duì)比如表3所示。

用ABAQUS對(duì)試件進(jìn)行理論分析，根據(jù)已有的幾何尺寸建立有限元模型，計(jì)算得到試驗(yàn)件的失效模式。理論計(jì)算得出破壞載荷與試驗(yàn)載荷基本一致，碳纖維織物和碳纖維單向帶層板試驗(yàn)件的基體破壞模式分別如圖2、圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果及分析可以表明，濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板疲勞壽命的影響可以忽略。在碳纖維復(fù)合材料全尺寸疲勞試驗(yàn)中，可以忽略濕熱環(huán)境對(duì)疲勞壽命的影響。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板濕熱環(huán)境下的疲勞性能進(jìn)行了研究，給出了結(jié)論。對(duì)于金屬材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法進(jìn)行疲勞分析。然而，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞分析多是理論模型，缺乏有效的工程計(jì)算方法，這將會(huì)是復(fù)合材料疲勞分析的重要研究方向。

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