【摘要】：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)由于具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、耐腐蝕、抗沖擊、結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于整體化成型等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、風(fēng)電、船舶、建筑等眾多重要工業(yè)領(lǐng)域。然而,在服役過(guò)程中由于受交變載荷及環(huán)境因素的影響,FRP通常會(huì)產(chǎn)生多種損傷模式,且不同損傷模式之間彼此誘發(fā)和相互耦合,導(dǎo)致其強(qiáng)度退化規(guī)律難以揭示,給FRP疲勞壽命的準(zhǔn)確評(píng)估帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。本文以不同載荷工況為主線,圍繞FRP的剩余強(qiáng)度模型和壽命預(yù)測(cè)方法兩個(gè)基本問(wèn)題展開研究。主要研究?jī)?nèi)容及研究成果概述如下:(1)建立恒幅循環(huán)載荷作用下FRP的剩余強(qiáng)度模型。為揭示恒幅循環(huán)載荷作用下FRP的強(qiáng)度退化規(guī)律,首先分析和討論了傳統(tǒng)剩余強(qiáng)度模型在工程應(yīng)用中普遍存在的局限性;然后,基于干涉分析理論和Weibull分布構(gòu)建了兩種典型的干涉模型:載荷循環(huán)次數(shù)—疲勞壽命干涉模型和循環(huán)應(yīng)力—剩余強(qiáng)度干涉模型,并研究了它們之間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性;最后,推導(dǎo)出恒幅循環(huán)載荷作用下FRP剩余強(qiáng)度的概率模型,并運(yùn)用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性。研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的剩余強(qiáng)度模型相比,所建模型具有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)和較高的計(jì)算精度,不僅能夠減少對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和主觀經(jīng)驗(yàn)的依賴性,而且能夠反映FRP剩余強(qiáng)度固有的分散性。(2)建立不確定性恒幅循環(huán)載荷作用下FRP的剩余強(qiáng)度模型。針對(duì)現(xiàn)有研究主要集中在疲勞可靠性評(píng)估和疲勞損傷累積兩個(gè)方面,尚未涉及不確定性恒幅循環(huán)載荷作用下FRP的強(qiáng)度退化問(wèn)題。為此,首先研究了不確定性恒幅循環(huán)應(yīng)力和疲勞壽命之間的映射關(guān)系,提出了根據(jù)循環(huán)應(yīng)力概率分布推斷FRP疲勞壽命概率分布的方法;然后,基于剩余強(qiáng)度和剩余壽命取決于復(fù)合材料內(nèi)部同一疲勞損傷狀態(tài)的假設(shè),建立了FRP剩余強(qiáng)度的概率模型;最后,利用所建模型分析了不確定性恒幅循環(huán)載荷作用下碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的強(qiáng)度退化規(guī)律。研究結(jié)果表明,所建模型不僅能夠描述剩余強(qiáng)度在同一個(gè)體內(nèi)所具有的不可逆性,而且能夠反映剩余強(qiáng)度在不同個(gè)體之間所具有的隨機(jī)性。(3)建立隨機(jī)循環(huán)載荷作用下FRP的剩余強(qiáng)度模型。探討了傳統(tǒng)剩余強(qiáng)度理論的適用范圍,指出現(xiàn)有剩余強(qiáng)度模型大多僅適用于恒幅循環(huán)載荷或多級(jí)恒幅循環(huán)載荷等簡(jiǎn)單載荷工況,對(duì)隨機(jī)循環(huán)載荷作用下FRP的強(qiáng)度退化規(guī)律無(wú)力描述。針對(duì)這一問(wèn)題,首先考慮外部載荷的隨機(jī)性特征,基于Miner累積損傷準(zhǔn)則和全概率公式,推導(dǎo)出隨機(jī)循環(huán)載荷作用下FRP的疲勞壽命模型;然后,考慮材料性能的分散性特征,基于概率統(tǒng)計(jì)原理和同損傷狀態(tài)假設(shè),建立了隨機(jī)循環(huán)載荷作用下FRP剩余強(qiáng)度的概率模型;最后,利用所建模型分析了具有不同鋪層方式的玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的強(qiáng)度退化規(guī)律。研究結(jié)果表明,所建模型不僅具有形式簡(jiǎn)單、便于工程應(yīng)用的特點(diǎn),而且能夠綜合反映外部載荷的隨機(jī)性和材料性能的分散性對(duì)FRP剩余強(qiáng)度演變規(guī)律的影響。(4)建立疲勞載荷和自然老化共存環(huán)境下FRP的剩余強(qiáng)度模型。為揭示疲勞載荷和自然老化共存環(huán)境下FRP的強(qiáng)度退化規(guī)律,首先引入環(huán)境綜合因子來(lái)量化描述溫度、濕度及光照輻射等環(huán)境因素對(duì)FRP自然老化過(guò)程的影響;然后,構(gòu)建了自然老化環(huán)境下FRP的剩余強(qiáng)度模型,并運(yùn)用玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的自然老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性;最后,考慮疲勞載荷的影響,結(jié)合具有“快→慢→快”發(fā)展趨勢(shì)的退化軌跡模型,建立了疲勞載荷和自然老化共存環(huán)境下FRP的剩余強(qiáng)度模型,并分析了不同試驗(yàn)地點(diǎn)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的強(qiáng)度退化規(guī)律。研究結(jié)果表明,疲勞載荷對(duì)FRP剩余強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為損傷效應(yīng),而自然老化對(duì)FRP的剩余強(qiáng)度具有雙重影響:在早期主要表現(xiàn)為增強(qiáng)效應(yīng),在中后期則以損傷效應(yīng)為主。(5)提出應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值共同影響下FRP的壽命預(yù)測(cè)方法。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隨機(jī)循環(huán)載荷作用下FRP的疲勞壽命,首先基于應(yīng)力—壽命關(guān)系方程和Goodman等壽命圖模型,建立了表征FRP疲勞性能的廣義S-N曲面;然后,修正了傳統(tǒng)的Miner累積損傷準(zhǔn)則,使其能夠反映應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值對(duì)FRP疲勞損傷累積規(guī)律的影響;最后,考慮應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值的隨機(jī)性,基于修正的Miner累積損傷準(zhǔn)則和全概率公式,提出了隨機(jī)循環(huán)載荷作用下FRP的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法,并利用玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。研究結(jié)果表明,纖維的鋪設(shè)角度及鋪設(shè)順序?qū)RP的疲勞壽命具有顯著影響,基體主要起固定纖維和傳遞纖維間載荷的作用。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB33
【圖文】：

(b) β 對(duì) Weibull 分布概率密度函數(shù)曲線的影響圖 2.1 α 和 β 對(duì) Weibull 分布概率密度函數(shù)曲線的影響 2.1(a)可知，若尺度參數(shù) β 保持不變，則 Weibull 分布概率密度著形狀參數(shù)α 取值的不同而發(fā)生變化。一般而言，當(dāng)形狀參數(shù)Weibull 分布近似于其它類型的概率分布。例如[165-166]：當(dāng) α =1時(shí)于指數(shù)分布；當(dāng) α =2時(shí)，Weibull 分布近似于瑞利分布；當(dāng) α布近似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布；當(dāng) α =3.6時(shí)，Weibull 分布近似于正態(tài)Weibull 分布類似于逆 Gumbel 分布。由此可知，形狀參數(shù) α 控制密度函數(shù)曲線的形狀。隨著形狀參數(shù)α 的變化，Weibull 分布能量的多種概率分布特征。 2.1(b)可知，若形狀參數(shù)α 保持不變，則 Weibull 分布的概率密度參數(shù) β 取值的不同而發(fā)生變化。一般而言，隨著尺度參數(shù) βeibull 分布的概率密度函數(shù)曲線沿著橫坐標(biāo)伸張或收縮。由此可有縮小和放大橫坐標(biāo)的作用，但不影響 Weibull 分布概率密度

例如應(yīng)力、應(yīng)變、沖擊、溫度、腐蝕、磨損等�！坝械牡挚瓜鄳�(yīng)載荷的性能指標(biāo)，例如疲勞強(qiáng)度、剛度蝕性、抗磨損性等。析理論可知，材料或結(jié)構(gòu)的可靠度可用兩個(gè)具有相同面積來(lái)定量表示[156,170-171]。在實(shí)際工程中，對(duì)于承受結(jié)構(gòu)，其疲勞可靠度通常可采用載荷循環(huán)次數(shù)—疲勞剩余強(qiáng)度干涉模型來(lái)計(jì)算。環(huán)次數(shù)—疲勞壽命干涉模型是指材料或結(jié)構(gòu)在發(fā)生疲勞破壞之前所經(jīng)歷或承受的述材料或結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的最直接參量。在工程應(yīng)用為時(shí)間的度量指標(biāo)，則根據(jù)干涉分析理論可知，材料義為疲勞壽命 N 大于載荷循環(huán)次數(shù) n的概率[172]。因此荷作用時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)—疲勞壽命干涉 進(jìn)行闡述。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料剩余強(qiáng)度模型及壽命預(yù)測(cè)方法研究2 循環(huán)應(yīng)力—剩余強(qiáng)度干涉模型剩余強(qiáng)度是表征材料或結(jié)構(gòu)承載能力的重要性能指標(biāo)，它反映的是材料給定的服役時(shí)間內(nèi)或載荷循環(huán)次數(shù)下，所具有的抵抗外部載荷的能力。用中，若以載荷循環(huán)次數(shù) n作為時(shí)間的度量指標(biāo)，則根據(jù)干涉分析理論或結(jié)構(gòu)的可靠度可被定義為剩余強(qiáng)度 r ( n )大于循環(huán)應(yīng)力 S 的概率[173]。RP 承受恒幅循環(huán)載荷作用時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力—剩余強(qiáng)度干涉模型理可用圖 2.3 進(jìn)行闡述。

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本文編號(hào)：2758920