纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其良好的比強(qiáng)度、比剛度、耐腐蝕和抗疲勞性能,越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空航天等工業(yè)結(jié)構(gòu)中。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中,多數(shù)情況下需要對(duì)其多軸失效行為和機(jī)理進(jìn)行更加精細(xì)的分析。為了最大程度地獲益于這類先進(jìn)的各向異性材料,準(zhǔn)確理解和預(yù)測(cè)它們?cè)诙噍S靜態(tài)和疲勞載荷下的力學(xué)行為尤顯重要,因而本文對(duì)此進(jìn)行了深入研究。首先開展了唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則的評(píng)估分析,討論了不同強(qiáng)度準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)精度和有效性。然后進(jìn)行了玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料多軸載荷下的靜力與疲勞試驗(yàn)研究,分析了材料的多軸力學(xué)行為及失效機(jī)理。最后根據(jù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效特點(diǎn)提出了新的唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則,并基于此靜強(qiáng)度準(zhǔn)則發(fā)展出新的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)模型,根據(jù)多軸應(yīng)力狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了本文模型的適用性和可行性。全文的主要工作和研究成果如下:(1)總結(jié)了復(fù)合材料唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則統(tǒng)一形式,進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。根據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了平面組合應(yīng)力狀態(tài)下的各強(qiáng)度準(zhǔn)則失效包絡(luò)線,闡明了各強(qiáng)度準(zhǔn)則失效包絡(luò)線在不同應(yīng)力象限的變化特點(diǎn)。討論了強(qiáng)度準(zhǔn)則的交互應(yīng)力作用系數(shù)F_(12)對(duì)強(qiáng)度準(zhǔn)則失效包絡(luò)線的影響。采用多組復(fù)合材料偏軸與雙軸加載試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)4種代表性唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了對(duì)比分析與客觀評(píng)價(jià)。(2)開展了玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料多軸載荷下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。進(jìn)行了單向和平面機(jī)織(平紋、斜紋)玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料的偏軸拉伸試驗(yàn);設(shè)計(jì)并制備了平紋布層合板雙軸加載十字型試樣,進(jìn)行了4種幾何形狀的十字型試樣在不同雙軸載荷比下的雙軸拉伸試驗(yàn);針對(duì)玻璃纖維短切氈增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了厚向壓縮與面內(nèi)拉伸組合加載試驗(yàn)研究,分析了不同壓頭尺寸及厚向壓縮載荷對(duì)面內(nèi)拉伸失效應(yīng)力的影響;完成了平紋布層合板偏軸拉-拉疲勞試驗(yàn)。(3)深入研究了玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料層合板多軸載荷下的力學(xué)行為及失效機(jī)理。研究結(jié)果表明:(i)偏軸彈性及強(qiáng)度性能隨偏軸角不同變化顯著;偏軸角為0°和90°時(shí),偏軸彈性耦合系數(shù)及耦合柔度系數(shù)為零,即無(wú)偏軸各向異性影響;平面機(jī)織玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料在偏軸角為45°時(shí)的耦合系數(shù)也為零;平面機(jī)織層合板在偏軸拉伸載荷下的失效模式主要表現(xiàn)為纖維(布)斷裂、分層并伴隨“頸縮”現(xiàn)象,斷面傾斜角與偏軸角不重合,與單向布層合板的失效模式不同。(ii)不同幾何形狀和雙軸載荷比對(duì)平紋布層合板十字型試樣的中心測(cè)試區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)和承力系數(shù)影響較大;十字型試樣的失效應(yīng)力低于單軸材料強(qiáng)度,存在雙軸加載強(qiáng)度弱化的現(xiàn)象;十字型試樣失效形式主要是中心測(cè)試區(qū)和加載臂根部發(fā)生破壞——纖維(布)斷裂和分層;平紋布層合板不同的疊層構(gòu)型,細(xì)觀失效機(jī)理會(huì)有所不同。(iii)玻璃纖維短切氈增強(qiáng)復(fù)合材料厚向壓縮載荷下的面內(nèi)拉伸失效應(yīng)力隨著厚向壓縮應(yīng)力的增加呈非線性降低;不同厚向壓縮載荷時(shí),較大壓頭尺寸的組合加載條件下試樣的失效模式表現(xiàn)為“楔形”斷裂。(iv)玻璃/環(huán)氧平紋布層合板偏軸拉-拉疲勞壽命達(dá)到N_f=10~6次范圍內(nèi)S-N關(guān)系(對(duì)數(shù)關(guān)系)幾乎保持線性變化;偏軸拉-拉疲勞試樣的失效模式與偏軸拉伸時(shí)類似,但分層和“頸縮”現(xiàn)象更為明顯。(4)總結(jié)了玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料層合板宏、細(xì)觀失效模式與損傷機(jī)理,分析了纖維和基體承擔(dān)載荷的能力差異,提出了一種新的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)基本強(qiáng)度參數(shù)及相關(guān)試驗(yàn),計(jì)算獲得了準(zhǔn)則模型中的各項(xiàng)應(yīng)力作用系數(shù)。采用玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料層合板的偏軸和雙軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及其他幾種材料的多軸加載試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了本文強(qiáng)度準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)曲線,并與4種代表性唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了本文模型在預(yù)測(cè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多軸強(qiáng)度的適用性和可行性。(5)基于唯像學(xué)靜強(qiáng)度準(zhǔn)則模型和單軸疲勞壽命曲線,提出了一種新的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。建立了疲勞強(qiáng)度的參照表達(dá)式,根據(jù)疲勞壽命曲線計(jì)算獲得了疲勞曲線的逆反斜率,并給出了偏軸疲勞壽命預(yù)測(cè)模型表達(dá)式。本文模型對(duì)多軸疲勞載荷作用下平紋玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果基本落在±200%壽命分散帶以內(nèi),表明了本文提出的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多軸疲勞壽命具有良好的預(yù)測(cè)能力。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

win 準(zhǔn)則（1979）則[23]與 Tsai-Wu 準(zhǔn)則類似，只是給定了強(qiáng)度系數(shù) F12的取值。2 2 21 2 121 2 1 22 212 122 1c t c tt c t c t c t ct c t cX X Y YX X Y Y X X Y Y S X X Y YS -Stratton 準(zhǔn)則（1994）atton 準(zhǔn)則[24]由正應(yīng)力的一次項(xiàng)、剪應(yīng)力的二次項(xiàng)和正應(yīng)力相互作用項(xiàng)描述失效包絡(luò)空間，平面應(yīng)力狀態(tài)下的表達(dá)形式為21 2 1212 1 2212B1X Y S 強(qiáng)度系數(shù)，通過(guò)偏軸或雙軸加載試驗(yàn)測(cè)定。唯像學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則的應(yīng)用情況進(jìn)行文獻(xiàn)引用次數(shù)分析。圖 1.1 是各強(qiáng)次數(shù)對(duì)比，圖中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于 Google Scholar 的檢索結(jié)果。從圖（2670 次）、Hoffman 準(zhǔn)則（589 次）、Tsai-Hill 準(zhǔn)則（495 次）、Noin 準(zhǔn)則（112 次）5 個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則的引用次數(shù)排名靠前，目前的研究熱的引用量尤為突出。

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文12 12 S縮與剪切組合失效： 12111 121 0cH H H12為壓縮、剪切作用參數(shù)，根據(jù)材料性能決定，可分別與縱向壓縮值相同。k 準(zhǔn)則（1998） Mohr-Coulomb 斷裂理論和損傷物理機(jī)制的基礎(chǔ)上建立了一套區(qū)分纖維損傷的復(fù)合材料強(qiáng)度理論[39,40]。準(zhǔn)則提出了纖維間失效作用面，可以預(yù)維間失效模式：ModeA、Mode B 和 Mode C，如圖 1.2 所示，模式 A 表壞，模式 B 代表剪切和弱壓縮產(chǎn)生的破壞，模式 C 表示剪切和強(qiáng)壓縮效反映了纖維間失效機(jī)制，但 Puck 準(zhǔn)則表達(dá)式非常復(fù)雜，需要測(cè)定的前在工程中應(yīng)用較少。

1c cY Y 控失效（NUb）：212 212 1221S S 控失效（NUc）：222 1212t tY Y 212EG ，為橫向模量與剪切模量的比值。上基于物理機(jī)制失效準(zhǔn)則的應(yīng)用情況進(jìn)行文獻(xiàn)引用次數(shù)分析。圖 1.3 是的引用次數(shù)對(duì)比（最大應(yīng)力/應(yīng)變準(zhǔn)則應(yīng)用廣泛，但引用出處各異或應(yīng)用因而未列入統(tǒng)計(jì)）。圖中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于 Google Scholar 的檢索結(jié)果，數(shù)據(jù)異常而選用百度學(xué)術(shù)（http://xueshu.baidu.com/）的引用結(jié)果。從圖（1569 次）、Chang-Chang 準(zhǔn)則（970 次）、Hashin-Rotem 準(zhǔn)則（938 次）tze-Freund 準(zhǔn)則（140 次）5 個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則的引用次數(shù)排名靠前，目前的研 準(zhǔn)則的引用量尤為突出。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 蔡登安;周光明;曹然;王校培;;雙軸載荷下復(fù)合材料十字型試樣幾何形狀對(duì)中心測(cè)試區(qū)系數(shù)的影響[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2015年04期

2 蔡登安;周光明;王新峰;黃翔;曹然;;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料雙軸強(qiáng)度研究進(jìn)展[J];宇航材料工藝;2014年04期

3 姚衛(wèi)星;宗俊達(dá);廉偉;;監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命的剩余剛度方法[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2012年05期

4 黃爭(zhēng)鳴;張華山;;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度理論的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)——“破壞分析奧運(yùn)會(huì)”評(píng)估綜述[J];力學(xué)進(jìn)展;2007年01期

5 戚東濤;張耀亨;程光旭;段權(quán);;纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料多軸疲勞研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;2006年02期

6 戚東濤,程光旭,魏生桂;纖維纏繞復(fù)合材料管道雙軸疲勞壽命預(yù)測(cè)研究[J];壓力容器;2005年10期

7 戚東濤,程光旭,段權(quán),魏生桂;基于臨界平面法的復(fù)合材料多軸疲勞損傷參量研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2003年11期

8 任家陶,李岡陵,豆志武,賴偉棟;雙向拉伸試驗(yàn)的進(jìn)展與鈦板雙向拉伸的強(qiáng)化研究[J];實(shí)驗(yàn)力學(xué);2001年02期

本文編號(hào)：2844524