聚合物基复合材料老化剩余强度等效预测方法研究[1]
复合材料的疲劳寿命预测模型与应力因素分析
复合材料的疲劳寿命预测模型与应力因素分析引言：复合材料是一种由两种或两种以上的材料组成的新型材料，具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域得到了广泛应用。
然而，由于其复杂的结构和多种材料的组合，复合材料在长期使用过程中容易出现疲劳破坏，因此研究复合材料的疲劳寿命预测模型和应力因素分析具有重要意义。
一、疲劳寿命预测模型1.1 疲劳寿命的概念疲劳寿命是指材料在循环载荷下能够承受的次数，也是材料在疲劳加载下出现破坏的循环次数。
疲劳寿命预测模型的建立可以帮助我们更好地了解材料的疲劳性能，从而提前预防疲劳破坏。
1.2 疲劳寿命预测模型的分类疲劳寿命预测模型可以分为经验模型和物理模型两种。
经验模型是通过试验数据拟合得到的，适用于相似材料和相似加载条件下的疲劳寿命预测。
物理模型则是通过材料的物理性质和力学行为建立的，适用于复杂材料和加载条件下的疲劳寿命预测。
1.3 经验模型的应用经验模型是疲劳寿命预测中最常用的方法之一。
常见的经验模型有Basquin模型、Coffin-Manson模型和Smith-Watson-Topper模型等。
这些模型通过试验数据的拟合，可以得到材料的应力应变曲线和疲劳寿命曲线，从而进行疲劳寿命的预测。
1.4 物理模型的应用物理模型是疲劳寿命预测中较为复杂和精确的方法。
物理模型通过考虑材料的微观结构和应力分布等因素，建立材料的疲劳寿命预测模型。
常见的物理模型有微观损伤力学模型、断裂力学模型和有限元分析模型等。
这些模型可以更准确地预测复合材料的疲劳寿命，并为材料设计和工程应用提供指导。
二、应力因素分析2.1 应力的分类在复合材料的疲劳分析中，应力可以分为静态应力和疲劳应力。
静态应力是指材料在静止状态下受到的外力作用，疲劳应力则是指材料在疲劳加载下受到的循环载荷作用。
2.2 应力的影响因素复合材料的疲劳寿命与材料的应力分布密切相关。
应力的大小、方向和分布都会对材料的疲劳性能产生影响。
7、剩余强度评估和剩余寿命预测计算过程
剩余强度评估剩余强度按照《基于风险的埋地钢质管道外损伤检验与评价》 （GB/T30582-2014）剩余强度Sf 的确定原则对管体进行评估。
此方法适用于含体积型缺陷和凹陷的在役埋地钢质管道的评估。
在吸收和借鉴国内外在腐蚀管道评估方面所取得的研究成果的基础上，为了克服现存各种评估方法的局限性，得到更符合工程需要的评估结果，具体方法如下：1. 确定管道外径和公称壁厚，资料审查中查阅记录和现场测量结合；2. 对于开挖点，去除外防腐层，清除钢管表面腐蚀痕迹至暴露出金属色泽；3. 测量腐蚀点处壁厚及腐蚀处的轴向长度L ；4. 确定材料的力学参数[σ]；5. 选用合适的估计方法计算失效压力F P ，并计算校核强度S 0=PD/2T ；6. 根据地区等级确定安全设计系数SF ；7. 比较计算的失效压力F P 与S 0×SF ；如果≥F P S 0×SF ，该处缺陷可以接受，否则需要降低压力工作。
含体积型缺陷管道的失效压力如下：（公式3）式中：F P 为含缺陷管道的失效压力，MPa ；D 为管道直径，mm ；t 为管道壁厚，mm ；d 为腐蚀缺陷深度，mm ；flow σ为流变应力，由下式确定：（公式4）min ysσ为材料最小屈服强度，MPa ； ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅--=M t d t d D t P flow F 185.0185.012σmin 1.1ys flow σσ=M 为Folias 膨胀系数，由下式确定： 50)/(2>Dt L （公式5） 50)/(2≤Dt L （公式6）L 为缺陷长度，mm 。
管道运行压力不得超过最大允许工作压力，最大允许工作压力为：F P K p ⋅=p 为管道最大允许工作压力，MPa ；K 为设计系数，应根据管道内的介质类型、缺陷及所在处的地区级别等确定。
本次受检埋地管道共发现防腐层漏电点21处。
受检单位对15个已打孔检漏处理的漏电点处进行了燃气泄漏检测，结果未发现燃气泄漏；对4处漏电点进行了开挖修复；其余2处漏电点处于水中，无法打孔检漏，观察水面未发现泄漏气泡。
聚合物基复合材料自然老化寿命预测方法
1725 1490 1635 1670 1600
1800 1724 1819 1725 1998
1850 1860 1880 1900 1940
2040 1990 2070 2020 2040
2120 2020 2210 2200 2240
( 1)
式中 η,β为材料常数 ;λ,θ为材料及影响状态参 数 ; S 为复合材料老化时间后的强度值 ; S 0 为复
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第 21 卷 第2期 2001 年 6 月
航 空 材 料 学 报
J OU RNAL OF A ERONU TICAL MA TER IAL S
Vol. 21 ,No. 2 J une 2001
聚合物基复合材料自然老化寿命预测方法
肇 研 , 梁朝虎
( 北京航空航天大学 , 北京 100083)
[1 ]
度最小值) ,以及估算复合材料高置信度 、 高可靠 度的老化寿命 。因此 , 迫切需要研究聚合物基复 合材料高置信度 、 高可靠度自然老化寿命与剩余 强度的变化规律 ,建立其数学关系式 。 本文对此进行了近三年的研究 , 在 Γ. Μ. 古 尼耶夫中值老化公式的基础上 , 进一步建立了聚 合物基复合材料高置信度 、 高可靠度自然老化寿 命与剩余强度之间的数学关系式 , 给出了老化剩 余强度的 A 基值 、 B 基值以及高置信度 、 高可靠度 的老化寿命 , 满足了工程实际的需要 。针对复合 材料自然老化数据少 、 老化周期短的情况 ,本文还 提出了确定高置信度 、 高可靠度自然老化方程中 参数的小子样方法 , 该方法通过百分回归分析[ 3 ] 对不同时间的自然老化数据进行整体推断 , 从而 充分开发利用了不同时间的自然老化数据之间相 互提供的 “横向信息” , 使其可利用的信息量远远 大于传统的对不同时间的自然老化数据只能分别 进行处理的成组试验法 ,大大提高了预测精度 。
在役结构剩余寿命预测
在役结构剩余寿命预测
孙文静;李永和
【期刊名称】《上海大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2004(010)006
【摘要】结合对锈蚀钢筋的材料性能变化和混凝土强度随时间变化的规律的研究,建立了一般大气环境中钢筋混凝土构件的抗力衰减随机过程,对服役全过程可靠度指标进行了动态观察.依据电化学原理,建立计算钢筋锈蚀量的数学模型.在实际β水准和耐久性失效水准的基础上给出计算结构剩余寿命的方法.同时,运用实际检测和实验验证了剩余寿命预测方法的可行性.
【总页数】5页(P635-638,648)
【作者】孙文静;李永和
【作者单位】上海大学,土木工程系,上海,200072;上海大学,土木工程系,上
海,200072
【正文语种】中文
【中图分类】TU375
【相关文献】
1.在役建筑结构的剩余寿命预测 [J], 李广慧;杜朝;蒋晓东
2.基于时变可靠度理论的在役海洋平台结构构件剩余寿命预测 [J], 周雷;李志刚;陈祥余;周道成
3.在役起重机含缺陷结构剩余寿命预测方法 [J], 王丽娜;王勇
4.在役压力容器含缺陷结构腐蚀疲劳剩余寿命预测的随机分析 [J], 周昌玉;张艳丽;
李强;黄文龙
5.超温超压工况在役转化炉对流段换热管剩余寿命预测 [J], 李景振;刘春艳;朱国栋;都亮;陈彦泽
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T700复合材料层合板拉_拉疲劳性能
Fatigue lives of laminates with holes Diameter / mm 12． 36 12． 36 12． 34 6． 38 6． 40 6． 38 6． 38 80 85 90 Stress level / % Fatigue life 71298 65789 17658 32623 29687 35228 397326
1. 3
光滑板试验
1 组光滑板拉拉疲劳试验加载方式为正弦波， 加载 频 率 10Hz， 应 力 比 均 为 0. 1 ， 引伸计跨距为 130mm。一定循环次数后， 通过材料试验机所带的 应变引伸计测量各试件应变， 获得试件的刚度变化 。 状况 试件内部损伤采用超声 C 扫描技术检测。 1 组光滑板试验共选择 70% 、 65% 和 60% 三个 60% 应力 应力水平， 前两个应力水平各取 3 个试件， 水平取 1 个试件。 各试件疲劳寿命见表 3 。 从表中可以看出， 除 T700KF13 试件结果明显偏离被去掉外， 每个应力 试验具有较 水平的光滑板疲劳寿命分散性均较小， 。 T700 T300 好的置信度 由于 碳纤维相比 碳纤维的 延伸率较大， 因而出现大规模的纤维断裂时间点较 迟且偏差小， 这也是 T700 层合板比 T300 层合板疲 劳寿命分散性小的原因之一。
表1 Table 1 Group No. 1 2 3 Diameter D / mm — 12. 5 6. 4 试验件尺寸表 geometry of specimens Length L / mm 230 300 300 Width W / mm 38 50 38 Thickness h / mm 50 50 50
由于具有优越的力学性能， 复合材料在现代航 空航天结构上得到了广泛的应用， 并且越来越多的 应用于飞行器的主承力结构。国际上最新型的大型 787 和 A350 上， 客机 B复合材料占全机结构比重已 经超过了 50% 。结构材料的疲劳性能， 对飞机的可 靠性和安全性起着决定性影响， 因此复合材料疲劳 性能方面的研究对于保证飞机的安全和提高飞机使 用寿命具有重要的意义。 但相对于金属， 复合材料 结构的复杂性使其对其损伤机理和损伤扩展机制的 研究都要复杂困难的多。 从 20 世纪 70 年代末开始， 国内外研究人员开 展了一系列对于复合材料疲劳方面的研究 ， 取得了 。其中， 大量的研究成果 对于目前较为成熟的 T300 型碳纤维增强复合材料的疲劳性能的实验和 寿命预测研究开展较多， 取得了很多有应用价值的 T700 新型纤维增强复合材料得到了 成果。近年来， T700 以其更好 日益增多的应用， 相对于 T300 纤维， 的加工工艺得到的更优秀的拉伸强度， 正逐渐开始 替代 T300 纤维。但对 T700 碳纤复合材料的疲劳性 能方面的研究， 目前仍然还较为缺乏。 本研究对 T700 /9368 复合材料试件进行了拉拉疲劳试验， 对试件刚度衰减和疲劳损伤扩展进行 了初步研究， 并建立了疲劳损伤模型， 对试件的疲劳
9+聚合物基复合材料的表征
成不可挽回的损失。
复合材料构件中常见的缺材料构件在使用过程中往往会由于应力或环境因素而产生缺陷，以
至被破坏。
2、复合材料检测 目前复合材料检测涉及到材料、结构件/半成品件和服役检测3个方面,已 经融入复合材料从研究到最终装机应用的全过程。
第9章 复合材料测试技术
• 表征材料性能的各种数据是对材料研究、开发、设计、应用等方面的重要 信息和依据。
• 这些数据是采用相应的仪器、设备和装置并通过一定的方法获得的。对获 取材料的这些信息的手段称为材料测试技术。
• 复合材料及其制品的测试内容包括原材料材料测试技术（基体、增强材 料）、复合材料性能测试技术、复合材料制品/服役检验（损伤/无损检测） 等三个部分。
基体/增强 材料性能
测试
复合材料性 能测试
复合材料 服役、半 成品或成 品性能测
试
复合材料 测试
1、复合材料的缺陷与损伤
• 复合材料在成型过程往往会由于工艺原理和理论的非完美性而产生缺陷， 如高温固化的复合材料会由于纤维与树脂基体热膨胀性能的失配而产生微 裂纹，严重时甚至造成基体开裂。
• 湿法制作的预浸料，由于其中的低沸点溶剂挥发不完全，固化成型过程中， 在高温下的聚集、膨胀，因而在复合材料中产生孔隙，严重时可导致分层。
复合材料无损检测主要应用于以下3个方面：（1）材料无损检测；（2）结 构无损检测；（3）服役无损检测.
(1)射线检测技术(X射线检验法,计算机层析照相检测法,微波检测法) ① X射线检验法 • X射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用方法。 • 目前常用的是胶片照相法, 它是检查复合材料中孔隙和夹杂物等体积型
树脂基复合材料模拟海洋环境长期老化及失效行为
装备环境工程第20卷第6期·64·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2023年6月树脂基复合材料模拟海洋环境长期老化及失效行为王登霞1，谢可勇1，刘俊聪1，安琪1，王新波1，钟勇2，丁康康3（1.山东非金属材料研究所，济南 250031；2.西南技术工程研究所，重庆 400039；3.中船重工第七二五研究所，山东 青岛 266237）摘要：目的实现高性能树脂基复合材料的环境适应性评价和使用寿命预测。
方法选取玻璃纤维增强不饱和聚酯（GF/197S）与玻璃纤维增强乙烯基脂（GF/905-2）2种树脂基轻质复合材料，开展模拟海洋环境实验室盐雾、湿热和盐水浸泡环境9 600 h的加速老化试验。
基于4种力学性能（拉伸强度、弯曲强度、压缩强度及层间剪切强度）开展材料老化行为规律研究，利用傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）对树脂基体在3种加速老化环境中的分子链段与官能团变化情况进行分析，得到基体树脂的老化机理。
利用外观、超声扫描成像、SEM分析树脂纤维界面的变化情况，明确树脂/纤维界面的失效模式。
利用差示扫描量热分析（DSC）与热重分析（TG）分析3种加速老化方式对玻璃纤维增强树脂复合材料（GFRPC）的玻璃化转变温度（t g）与热质量损失的影响。
结果3种老化方式对树脂基体的老化影响顺序依次为70 ℃/95%RH 湿热、35 ℃盐雾、常温盐水浸泡。
结论得到了先进轻质树脂基复合材料的模拟海洋环境老化行为、失效模式以及树脂基体的老化机理，为实现高性能树脂基复合材料的环境适应性评价和使用寿命预测奠定了基础。
关键词：玻璃纤维增强树脂复合材料；模拟老化；力学性能；腐蚀行为；失效模式；不饱和聚酯；乙烯基脂中图分类号：TQ322.4 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)06-0064-011DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.009Long Term Aging and Failure Behaviors of Polymer Composites inSimulated Marine EnvironmentsWANG Deng-xia1, XIE Ke-yong1, LIU Jun-cong1, AN Qi1, WANG Xin-bo1, ZHONG Yong2, DING Kang-kang3(1. Shandong Institute of Non-metallic Materials, Jinan 250031, China; 2. Southwest Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039, China; 3. 725th Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shandong Qingdao 266237, China)ABSTRACT: Two kinds of resin based lightweight composites: glass fiber reinforced unsaturated polyester (GF/197S) and glass fiber reinforced vinyl ester (GF/905-2) were selected to carry out accelerated tests in simulated marine environment of salt spray aging, hydrothermal aging and salt water immersion for 9 600 h in laboratory. The effects of the three aging environments收稿日期：2022–09–07；修订日期：2022–11–04Received：2022-09-07；Revised：2022-11-04基金项目：国防技术基础科研项目（JSHS2019209C001，JSHS2019207B001，JSHS2020209B007）Fund：Basic scientific research project of National Defense Technology (JSHS2019209C001, JSHS2019207B001, JSHS2020209B007)作者简介：王登霞（1981—），女，博士，研究员，主要研究方向为非金属材料环境试验与寿命预测。
复合材料层合板的疲劳寿命预测及试验研究
复合材料层合板的疲劳寿命预测及试验研究复合材料层合板是一种新型材料，具有高强度、高刚度、高韧性和轻质等优点。
在航空航天、汽车、船舶、电子、建筑等领域得到广泛应用。
然而，随着使用寿命的延长，复合材料层合板会出现疲劳损伤，从而降低其力学性能。
疲劳寿命是衡量复合材料层合板耐久性能的重要指标，因此，如何准确预测复合材料层合板的疲劳寿命成为了当前研究的热点问题。
一、复合材料层合板的疲劳损伤机理复合材料层合板的疲劳损伤主要有三种形式：疲劳裂纹、层间剥离和纤维失效。
疲劳裂纹是指由于反复的载荷作用产生的疲劳应力，使材料中的裂纹逐渐扩展，从而导致断裂。
层间剥离是指复合材料层合板中各层之间的粘结剪切层界面发生分离，最终导致层间脱粘。
纤维失效是指纤维断裂或拉断，导致复合材料层合板的强度和刚度下降。
二、复合材料层合板疲劳寿命预测方法为了准确预测复合材料层合板的疲劳寿命，需要对其力学性能进行测试和分析，确定其材料参数和疲劳性能。
一般采用有限元方法进行疲劳寿命预测，即将复合材料层合板的结构分解成有限数量的小单元，再利用计算机模拟每个小单元的力学性能，然后将这些小单元组合起来，得出整个结构体系的力学性能及其变化规律，从而得出疲劳寿命。
三、复合材料层合板疲劳寿命试验研究复合材料层合板疲劳试验是验证疲劳寿命预测结果的重要手段。
疲劳试验主要通过模拟实际使用条件，采用交变载荷或者脉冲载荷进行，测量材料的疲劳性能，并记录试验过程中的变形、裂纹扩展和层间剥离等信息。
通过试验可以得到复合材料层合板受不同载荷和振幅下的疲劳寿命，为研究和改善其力学性能提供参考。
四、复合材料层合板疲劳寿命预测和试验研究的应用复合材料层合板作为航空航天、汽车、船舶、电子、建筑等领域中的主要结构材料，其使用寿命和安全性是极为关键的。
通过复合材料层合板疲劳寿命预测和试验研究，可以为其设计和制造提供科学依据，为改善其力学性能提供技术支持和保障。
结语随着科技的不断推进，复合材料层合板在各个领域的应用越来越广泛。
随机疲劳下复合材料剩余刚度-剩余强度关联模型及寿命预测
随机疲劳下复合材料剩余刚度-剩余强度关联模型及寿命预测李友明;景昭;吴增文;李冰垚;刘琛;葛敬冉;梁军
【期刊名称】《强度与环境》
【年(卷),期】2024(51)1
【摘要】剩余刚度和剩余强度作为描述复合材料疲劳损伤程度最常见的方法,在应用过程中都存在各自的优缺点。
刚度试验成本低,但缺少明确的失效判据使得其实际工程中的应用受到限制,强度虽然存在天然的失效判据,但破坏性试验导致试验成本较高。
考虑复合材料结构大多在随机交变载荷下服役,如噪声、振动等。
本文通过复合材料常幅疲劳数据推导了随机疲劳下的剩余强度曲线,提出了一种随机载荷下的剩余刚度-强度关联模型,减少了试验时间和成本,并通过关联模型预测了结构随机疲劳寿命,预测值与试验值具有较好的一致性。
【总页数】8页(P23-30)
【作者】李友明;景昭;吴增文;李冰垚;刘琛;葛敬冉;梁军
【作者单位】北京理工大学先进结构技术研究院;北京航天长征飞行器研究所;宁波工程学院机器人学院
【正文语种】中文
【中图分类】V415.5
【相关文献】
1.监测复合材料结构剩余疲劳寿命的剩余刚度方法
2.复合材料层压板剩余刚度-剩余强度关联模型
3.复合材料层板基于剩余刚度比的剩余强度模型
4.用剩余疲劳损
伤强度预测机械零件疲劳可靠度及寿命的方法5.基于连续损伤力学的剩余疲劳寿命随机预测
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复合材料的疲劳寿命预测与评估
复合材料的疲劳寿命预测与评估在现代工程领域，复合材料因其卓越的性能，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，得到了广泛的应用。
从航空航天领域的飞机结构件到汽车工业的零部件，从风力发电的叶片到体育用品，复合材料的身影无处不在。
然而，与传统材料相比，复合材料的疲劳性能更为复杂，其疲劳寿命的预测与评估也成为了一个关键的技术难题。
要理解复合材料的疲劳寿命预测与评估，首先需要明白什么是疲劳。
简单来说，疲劳就是材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后发生的破坏现象。
对于复合材料而言，由于其成分的复杂性和各向异性，疲劳损伤的机理和表现形式与传统金属材料有很大的不同。
复合材料的疲劳损伤通常包括纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等多种形式，而且这些损伤往往相互作用、相互影响，使得疲劳过程变得极为复杂。
在疲劳载荷的作用下，复合材料内部的微观缺陷会逐渐扩展、累积，最终导致材料的宏观失效。
因此，准确预测复合材料的疲劳寿命对于确保结构的安全性和可靠性具有重要意义。
目前，用于复合材料疲劳寿命预测的方法主要有两类：基于实验数据的经验方法和基于理论模型的分析方法。
经验方法是通过大量的实验数据来建立疲劳寿命与各种因素之间的关系。
这种方法虽然简单直观，但需要耗费大量的时间和成本来进行实验，而且对于新的材料体系或复杂的载荷条件，其预测能力往往有限。
分析方法则是基于材料的力学性能和疲劳损伤机理，建立数学模型来预测疲劳寿命。
常见的分析方法包括应力寿命法、应变寿命法和损伤力学法等。
应力寿命法通过研究应力与疲劳寿命之间的关系来进行预测，但它没有考虑到材料的塑性变形和损伤累积。
应变寿命法则考虑了材料的塑性变形，但对于复合材料的各向异性特性处理较为困难。
损伤力学法将材料的损伤演化过程纳入考虑，能够更准确地描述复合材料的疲劳行为，但模型的建立和参数的确定较为复杂。
在实际的疲劳寿命预测中，往往需要综合运用多种方法，并结合具体的工程应用背景来进行评估。
例如，在航空航天领域，对于关键的复合材料结构件，通常会采用严格的实验和分析相结合的方法，以确保疲劳寿命的预测精度和可靠性。
难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究
难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究难熔金属基复合材料具有高温、高强度和高耐磨等特点，在航空航天、能源以及汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
然而，由于其特殊的组织结构和复杂的力学性能，难熔金属基复合材料在使用过程中容易出现疲劳失效问题，限制了其进一步的应用。
为了延长难熔金属基复合材料的使用寿命并保障其安全可靠性，疲劳寿命预测变得尤为重要。
通过建立可靠的疲劳寿命预测模型，可以对材料的寿命进行准确预测，并为工程设计和材料选择提供科学依据。
在难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究中，主要存在以下几个关键问题：1. 组织结构和力学性能的分析：难熔金属基复合材料通常由金属基体和增强相组成，二者的组织结构和相互作用对材料的力学性能产生显著影响。
因此，在建立疲劳寿命预测模型之前，需要分析材料的组织结构，并准确描述金属基体和增强相的力学性能。
2. 疲劳损伤机理的研究：难熔金属基复合材料的疲劳失效通常是由于疲劳裂纹的扩展引起的。
因此，疲劳损伤机理的研究对于建立合理的疲劳寿命预测模型至关重要。
通过实验和数值模拟等手段，可以揭示材料在疲劳过程中的损伤演化规律和裂纹扩展行为。
3. 参数的选取和模型建立：疲劳寿命预测模型的建立需要选取一系列合适的参数，并通过实验数据进行拟合优化。
在难熔金属基复合材料的研究中，常用的参数包括材料的组织结构参数、应力状态参数和载荷历程参数等。
通过合理选择参数和建立适当的数学模型，可以较好地预测材料的疲劳寿命。
4. 模型验证和应用：建立疲劳寿命预测模型之后，需要通过实验验证来评估模型的准确性和可靠性。
同时，将所建立的模型应用于实际工程中，为材料的设计和使用提供科学依据。
在难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究中，需要综合运用实验、理论和数值模拟等多种方法，将材料的组织结构、力学性能、疲劳损伤机理和参数等进行系统研究。
通过建立准确可靠的疲劳寿命预测模型，可以为难熔金属基复合材料的设计、制备和使用提供指导，并推动该类材料的进一步发展和应用。
芳纶纤维_环氧树脂的湿热老化
・综述・收稿日期:2008-04-28;修回日期:2008-05-26作者简介:石增强,1979年出生,博士研究生,主要研究方向为导弹武器发射系统生存技术。
E -mail:shizengqiang@yahoo 芳纶纤维/环氧树脂的湿热老化石增强(第二炮兵工程学院,西安 710025)文 摘 分析了芳纶纤维/环氧树脂分子链结构与聚合态结构,论述了湿热对芳纶纤维/环氧树脂性能的影响,指出了研究芳纶纤维/环氧树脂老化的方法。
关键词 芳纶纤维,环氧树脂,复合材料,湿热老化Hygr other mal Aging of Ara mid Fibre /Epoxy Resin Co mposite MaterialShi Zengqiang(The Second A rtillery Engineering College,Xi ’an 710025)Abstract The aggregated state structure and molecule chain structure of ara m id fibre /epoxy resin in the com 2posite material is analyzed .And the influence of the hum id and ther mal conditi ons on the composite material is de 2scribed .The study methods f or aging of the aram id fibre /epoxy resin composite material ’s are indicated .Key words A ra m id fibre,Epoxy resin,Co mposite,Hygr other mal aging 1 前言芳纶纤维/环氧树脂以其高比强度和比模量,已经成为航空、航天领域被广泛应用的先进复合材料[1]。
【国家自然科学基金】_聚合物基复合材料_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140729
科研热词 推荐指数 纳米复合材料 3 复合材料 3 聚合物基复合材料 2 力学性能 2 鞣剂 1 转移膜 1 超高分子量聚乙烯纤维 1 超细晶 1 调堵性能 1 调剖 1 表面粗糙度 1 虚功原理 1 蒙脱土 1 聚合物驱 1 聚丙烯 1 结晶与熔融行为 1 紫外光老化 1 离子聚合物金属复合材料 1 界面黏结 1 界面迁移 1 温敏 1 智能凝胶 1 摩擦磨损 1 插层聚合 1 提高采收率 1 拉力输出 1 微屈曲 1 弯曲行为 1 大塑性变形 1 填料 1 含水率 1 化学沉积 1 制备方法 1 介电性能 1 二烯丙基二甲基氯化铵 1 emc层合板 1 ag电极 1
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
科研热词 推荐指数 纳米复合材料 4 聚合物基复合材料 3 聚合物 3 阻燃 1 铺层顺序 1 膨润土 1 聚合物插层 1 聚合物基介孔分子筛复合材料 1 聚合物共混 1 聚丙烯酸酯 1 聚丙烯 1 老化 1 综述 1 纳米碳纤维 1 纳米tio2 1 累托石 1 等效当量 1 笼型倍半硅氧烷 1 碳纤维增强聚合物 1 石墨烯 1 相形态 1 玻璃纤维 1 热稳定性 1 渗透率 1 混沌混合 1 海绵 1 次磷酸铈 1 杂化共聚物 1 有限元法 1 明胶 1 无皂-原位乳液聚合 1 无卷曲结构织物 1 摩擦磨损性能 1 性能 1 弯曲刚度 1 层状双氢氧化物 1 定型剂 1 复合材料光学 1 复合材料 1 壳聚糖 1 吸附性能 1 取向 1 反应性乳化剂 1 双(环戊二烯基)二氯化锆催化剂 1 压缩特性 1 剪切性能 1 剩余强度 1 制备方法 1 制备 1 分散技术 1 准各向同性 1 介电性能 1
复合材料等效弹性参数预估方法间的关系
陕西卫星会议2005复合材料等效弹性参数预估方法间的关系∗李录贤 王铁军西安交通大学工程力学系机械结构强度与振动重点实验室，西安 710049LuxianLi@摘要：目前已有许多关于复合材料等效参数的预估方法，较常用的有Reuss 预估、V oigt 预估、改进混合法则、Mori-Tanaka 模型、自洽模型和Wakashima-Tsukamoto 模型，本文研究这些预估方法所得结果之间的数学关系，以揭示隐藏在其间的物理本质。
关键词：复合材料，多相组分，宏观等效，弹性参数1. 前 言已有很多复合材料宏观等效弹性参数的预估方法。
最早的Reuss 预估和V oigt 预估分别被称为串联模型和并联模型, 它们是两种组分相弹性参数按照体积分数的加权平均。
1976年Tomoda 等[1]通过引入表征组分间应力应变传递比q ，提出了改进混合法则，并通过实验确定q 值。
在数学看，串联模型和并联模型是改进混合法则的两种极端情形。
Mori-Tanaka 模型是对两相复合材料细观力学分析的最成熟结果，Berryman [2]和Benveniste [3]在数学形式上更加完善。
上述方法给出的预估结果都是显式表达式，给据组分材料参数及其体积分数，可直接获得复合材料的宏观等效弹性参数。
为了提高精度，Hill [4], Budiansky [5]，Hori 和Nemat-Nasser [6] 等，先后提出了几种自洽模型，但它们已不再是显式，需要通过迭代才能得到预估值。
另外，在Mori-Tanaka 模型基础上，又出现了Wakashima-Tsukamoto 模型[7]，并在复合材料和功能梯度材料宏观弹性参数预估中受到了重视。
本文从数学上，分析串联模型、并联模型、改进混合法则、Mori-Tanaka 模型、自洽模型以及Wakashima-Tsukamoto 模型间的关系，为进一步探讨物理机理提供数学基础。
2. 改进混合法则与串联模型、并联模型间的数学关系改进混合法则中假定应力应变分别满足0011f f σσ=+σ （1） 0011f f εε=+ε （2） 同时，组分相间的应力应变传递比q 保持为常数，即001q 1σσεε−=−− （3） 在本文中，σ 和ε 分别表示整体复合材料的应力和应变，σ I 、ε I 及f I 分别表示第I 相的平均应力、平均应变和体积分数，并且，指标I = 0 代表基体相。
复合材料层压板剩余刚度_剩余强度关联模型
复合材料以其高模量比、高强度比及可设计性 等优点已被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等 工业领域。特别是在飞机结构中 , 复合材料结构所 占的比重越来越大, 且逐渐应用于主承力部件
[ 1]
述复合材料疲劳损伤的常用量。 但已有剩余强度和剩余刚度模型往往是被独立 提出的 , 大部分模型没有很好地考虑彼此之间的关 系 , 这导致在对复合材料疲劳行为进行研究和对其 疲劳损伤进行描述时 , 需要大量的试验。另外, 剩 余强度试验具有破坏性 , 每个试件只能得到一个剩 余强度值, 试验耗费很高。并且试件的个体存在差 异 , 不同试件的剩余强度之间可比性差。若用统计 的方法来研究剩余强度, 需要大量的试验 , 这是不 现实的。Whitw o rt h[ 9] 提出了一个与寿命比有关的 剩余刚度模型, 并以寿命比为相关量首次建立了该 模型与引用的 J. N. Yang 提出的剩余强度模型之间
特别是在飞机结构中复合材料结构所占的比重越来越大且逐渐应用于主承力部件现代飞机的设计要求越来越高高服役载荷和长服役寿命要求复合材料更大程度地发挥自身性能以前被复合材料高性能所掩盖的疲劳问题开始出现
复合材料学报 A cta M ateriae Compositae Sinica
文章编号 : 1000 3851( 2008) 05 0151 06
度的损伤定义之间的关系 , 建立了剩余刚度 剩余 强度关联模型。用 3 种不同铺 层形式 的层压板 试验数 据对本 文 中提 出的剩余刚度模型及剩余强度模型进行了验证 , 结果 表明 : 本文中提出的剩余刚度和剩余强度 模型能很好 地 描述 复合材料层压板疲劳过程中的剩余刚度和剩余强度退化规律 ; 通过关联模型 , 可以在已知剩余 刚度退化规 律 的前 提下 , 用少量剩余强度试验确定剩余强度退化规律 ; 与剩余刚度关联的剩余强度模型中的参数 可以被认为 是 材料常数。 关键词 : 复合材料 ; 层压板 ; 疲劳 ; 累积损伤 ; 剩余强度 ; 剩余刚度 T B330. 1 文献标志码 : A 中图分类号 :
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张颖军：男，１９８１年生，博士生，主要研究方向为船用复合材料应用工程Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｉ—ｎａｖｙ＠ｑｑ．ｃＱｍ
万方数据
聚合物基复合材料老化剩余强度等效预测方法研究／张颖军等
（１） ５一Ｓ０＋叩（１一一‘）－－ｆｌｌｎ（１＋０ｔ） 式中：ｓ为材料老化时间后的强度，ｓ。为初始强度值，呀为材
ｐｏｓｅｄ ｂｙ Ｇｕｎｙａｅｖ ｒ阮Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｇｅｉｎｇ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ｉｓ ｆｉｔ ｈｅｒｅ ｂｙ ｄａｔａ ｉｓ
ａｓ ＣＯＤ－
ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｇｅｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ
材料性能的增强作用，但在材料的实际工作环境中，材料的
商１５
赠１０
５ Ｏ Ｏ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
后固化增强过程与服役时间相比可忽略不计，因此可以通过 拟合的方法添加１个材料性能的增强项ＡＳ来替代叼（ｉ— ｅ咄）；②式（１）只采用１个宏观的参数０来表示环境中各种老 化因素对材料性能的影响，但是单一的宏观参数口一方面不
４．０ ３．５
２修正公式的内容
２．１基本假设
影响聚合物基复合材料老化的外界因素很多，如阳光、 温度、酸、碱、盐等。在兼顾材料服役环境各主要影响因素的 情况下，根据以上对中值老化剩余强度公式的分析，提出两 点假设：①相同材料在相同影响因素下老化机理相同，老化 衰减速率只与影响因素强弱有关；②老化过程中各因素对材
化工等领域的应用越来越广瑟，随着聚合物基复合材料的大
气候条件，用于不同地区大气老化或使用老化的比较和计
算，其研究对与老化等效方法的研究具有重要意义。
量使用，其剩余寿命（强度）预测和估计越来越受到人们的重
视。但是由于聚合物基复合材料中存在多种材料，其环境老
本研究主要基于ｒ．盹古尼耶夫提出的中值老化公式，根 据实验过程中具体的实验环境，修正中值老化公式中未考虑 的问题，提出新的修正公式，并通过大量的实验数据对其进
一定环境老化谱下老化因素ｚ，对材料某一性能影响的显著
式中：Ｔ（ｚ）为温度当量时间，定义为：
Ｔ（ｚ）＝∑塑瑶铲（天）
表１等效当量
（５）
性参数，随需要测定的材料性能参数变化而变化；Ｂｉ为材料
对老化因素ｚｉ的抗老化能力参数，与材料组分及工艺类型有
Ｔ（ｙ）为紫外线当量时间，定义为：
关，对于特定的材料为一定值，随环境老化谱的变化而变化； Ｔ（ｘｉ）为老化因素置的等效当量老化时间，表示式为：
・
１５１
・
和三亚的平均气温和平均紫外线强度指数（如图１、图２所 示）。
３５ ３０ ２５ ２０ ｐ
料的固化参数，口为材料抗裂纹扩展参数（对于一定的材料为
常数）；Ａ、０为材料及影响状态参数，根据实际老化环境的不 同有所变化。
通过对式（１）的分析研究，认为其存在两点改进的建议： ①从式（１）可以看出，ｒ．Ｍ．古尼耶夫等考虑了后固化作用对
４结论
基于ｒ．地古尼耶夫等提出的中值老化公式，考虑了各种 老化因素在实际工程中对复合材料的影响，提出了老化时间一
万方数据
・
１６０・
材料导报Ｂ：研究篇
５ Ｚｈａｎｇ
２０１２年４月（下）第２６卷第４期
Ｙａｎ（张彦），ｅｔ ａｋ
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｗ－
ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｒｉｘ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｔａｔｕｒｅ
Ｋ毋’觚ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｐｏｌｙｍｅｒ，ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｇｅｉｎｇ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ
聚合物基复合材料具有可设计性强、减震性能好、抗疲
紫外光总辐射量和年紫外光当量等表述１个地区１年中的
劳性好、耐腐蚀性突出等优点，在航空航天、海洋工程、建筑、
１问题的提出
饿罗斯全饿航空材料研究院ｒ．Ｍ＇吉尼耶夫等Ｃ４】通过研 究无负载情况下聚合物基复合材料的自然老化寿命，认为聚 合物基复合材料老化过程中存在可逆与不可逆的性能变化， 同时环境中的因素对材料性能有正面影响（增强过程），也有 负面影响（损伤过程）。在元负荷条件下暴露于环境中的热 固性复合材料，假设增强过程和损伤过程是相互独立的，那
ｓｉ，
ｓ１一署一一２奎。ＥＳ，－－Ａ，ｌｎ（１＋Ｂ，ｘｉ）－－Ａｚｌｎ（１＋Ｂ。Ｅ）一ｓｉ］ｌｎ（１＋Ｂ。ｘｉ）
ｓ２一爰一一２喜［ｓ１一Ａ。呷＋Ｂ１Ｘｉ）－－Ａｚｌｎ（１＋蹦）－Ｓ，７ｌｎ（１＋蹦） ｓ３一署一２喜［Ｓ１＿Ａ１ｌｎ（，＋Ｂ１Ｘｉ）－－Ａｚｌｎ（１＋Ｂ２Ｅ）飞］带蔑
（ ｍ ）、，
Ｕ）
ｓ４一塑８Ｂｚ一２善６［ｓ。一Ａｌｌｎ（１＋Ｂ，Ｘｆ）一Ａ２ｌｎ（１＋Ｂ２ｙ卜ｓ；］篇‘
括海水浸泡７天、阳光曝晒７天。分别在老化时问为０天、７０
Ｔａｂｌｅ １
Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄａｔａ
天、１４０天、２１０天、２８０天、３５０天时取样试验，干燥处理后依
据ＧＢ １４４７—８３试验方法，采用Ｌｅｔｒｙ数字万能材料试验机进
行轴向拉伸强度试验和偏轴法面内剪切强度试验。同时记 录老化试验期间２０１０年６月７日至２０１１年５月２１日武汉
Ｍｅｔｈｏｄｓ
ｏｆ Ａｇｅｉｎｇ
ｏｎ
Ｐｏｌｙｍｅｒ
Ｍａｔｒｉｘ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ＺＨＡＮＧ
Ｙｉｎｇｊ ｕｎ，ＺＨＵ Ｘｉ，ＭＥＩ
Ｚｈｉｙｕａｎ，ＬＩ Ｈｕａｄｏｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３）
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｇｅｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ
ｏ］最近距离的值，
表２试验结果
Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ
表３数值计算结果及差值
Ｔａｂｌｅ ３ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｄｉｓｅｒｅｐａｎｅｅ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从以上分析和数值计算与试验结果的对比可以看出，改 进老化公式的数值计算结果与试验结果一致性较好。
老化因素强度等效方法，建立了改进的聚合物基复合材料老 化剩余强度估算方程。并结合试验数据，采用最小二乘法拟 合出玻璃纤维／环氧与Ｔ３００／环氧手糊工艺复合材料在海水浸 泡一阳光曝晒循环老化下的老化公式，计算结果表明，改进公式 能够反映老化因素对材料性能的影响，与试验结果一致性好。 （下转第１６０页）
－
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材料导报Ｂ：研究篇
２０１２年４月（下）第２６卷第４期
聚合物基复合材料老化剩余强度等效预测方法研究。
张颖军，朱锡，梅志远，李华东
（海军工程大学船舶与动力学院，武汉４３００３３） 摘要 通过对ｒ．地古尼耶夫提出的老化方程的分析研究，考虑了各种老化因素在实际工程中对复合材料的
影响，建立了改进的聚合物基复合材料老化剩余强度佑算方程。结合老化试验数据，采用最小二乘非线性回归计算 方法拟合老化方程，并进行剩余强度估算。结果表明，理论计算结果与试验结果吻合较好，同时由于改选公式考虑了
由于材料后固化的缘故，Ｓ，比老化时间为０时的初始值 大，因此采用多元非线性函数牛顿下山搜索法在约束Ａ。＞ｏ、 Ａ。＞ｏ、Ｂ，＞ｏ、Ｂ。＞ｏ时，采用Ｍａｔａｌ软件进行数值计算，找 出数组Ｅｓｏ、ｓｌ、ｓ２、ｓ３、ｓ４］与数组［ｏ
０ ０ ０
（／＼ 挖 ）
从而求出Ｓ，、Ａ。、Ａ。、Ｂ，、Ｂ：的数值解，然后带入式（４）计算 ２８０天和３５０天老化武汉和三亚两地的剩余强度，并与试验 值进行对比（如表３所示，正值表示计算值大于试验值，负值 表示计算值小于试验值）。
ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ
ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｇｅｉｎｇ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｕｓｅｄ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｇｅｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｉｄｅｒｉｎｇ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｇｅｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ
料性能的影响是相互独立的。
籁３．０
蠢ｚ．ｓ
嘿２．０
１．５ １．Ｏ Ｏ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
时间倜
图２武汉和三亚的紫外线指数
Ｆｉｇ．２ Ａｖｅｒａｇｅ ＵＶ ｉｎｄｅｘ ｏｆ
Ｗｕｈａｎ
ａｎｄ
Ｓａｎｙａ
２．２修正公式
基于以上分析，提出与老化因素相关的聚合物基复合材 料老化剩余寿命（强度）估算公式：
么性能的不可逆变化所造成的复合材料强度变化可用式（１） 描述：
自然老化寿命研究，提出了中值老化寿命预测经验公式。叶 宏军等［５］采用此公式预测了碳纤维增强酚醛基复合材料在 湿热环境中的强度变化，计算结果与实测值一致性较好。肇 研等口］基于中值老化公式，采用最小二乘法，提出了具有高 可靠度、高置信度的复合材料老化公式。徐风和等＂１提出采
由于在环境自然循环老化试验过程中主要的老化因素 为温度和太阳光照，因此式（２）具体化为： Ｓ＝Ｓｌ—Ａ１ｌｎ［１＋Ｂ１Ｔ（ｚ）］一Ａ２ｌｎ［１＋Ｂ２Ｔ（ｙ）］
（４）
Ｓ—Ｓ１一≥：Ａ：ｌｎＥｌ＋ＢｉＴ（ｘｉ）］（ｚ一１，２，一…）
（２）
式中：Ｓ为材料老化时间后的强度；Ｓ，一Ｓｏ＋ＡＳ，Ｓ。为初始强 度值，ＡＳ为材料后固化增强项；ｚ：为环境老化因素；Ａｆ为在
行验证。
化不同于传统的金属材料，是一个很复杂的过程，受到材料
组分（聚合物和增强体种类及质量分数＞、成型工艺和各种老