复合材料损伤机理整理_final

一、立项依据与研究内容：

1.立项依据：

1.1 研究意义与目的

近几十年以来，随着科学技术的迅速发展，对材料的性能提出了更高的要求。当前高技术材料一般分为:高技术陶瓷、高技术聚合物和复合材料三种类型。由于复合材料可以根据工程结构对性能的要求来进行设计，其发展速度和规模在近几年尤为迅猛。一些先进的复合材料己经在航空、航天、机电、化工、能源、交通运输以及生物、医疗器械等领域中得到了广泛的应用。可以说复合材料已经深入到了我们生活的方方面面。

在航空领域，由于飞机结构设计和材料性能要求的不断提高，复合材料在飞机上的比例不断增加。目前，波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%（如图1所示）。[陈绍杰, 复合材料技术与大型飞机. 航空学报, 2008. 29(3): p. 605-610]先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图2为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。在航天方面，复合材料也被广泛用于火箭发动机壳体、航天飞机的构件、卫星构件等。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000~3500℃，为了提高效率还要在推进剂中掺入固体粒子，发动机喷管的工作环境是高温、复合材料能承受这种工作环境:化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，因此固体火箭目前只要碳/碳人造卫星每减轻Ikg，运载火箭可以减轻1000kg，因此用复合材料制造的卫星有很大的优势。此外，复合材料还被广泛用于化学工业、电气工业、建筑工业、机械工业、体育用品等多个方面。我国从上世纪七十年代就开始了先进复合材料方面的研究工作，到八十年代时，我国已将复合材料应用技术列入重点发展领域，通过三十多年的发展，我国航空复合材料技术应用水平己有了大幅度的提高。目前我国军用飞机上复合材料用量已达到6%以上，已基本实现从次承力构件(如垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身等)到主承力构件(如机翼、直升机旋翼等)的转变[王慧杰等.我国航空复合材料技术发展展望.第九界全国复合材料学术会议论文集，1996:l-6]。

图1 复合材料在波音787上的应用图2 军机上使用复合材料的应用但是，复合材料也存在其本身的不足，一方面，复合材料的损伤机理与一般的金属材料相差甚远，另一方面，复合材料结构在制造和装配过程中不可避免的产生内部缺陷和损伤。虽然这些局部损伤一般不会立即导致整个结构的破坏，但是它往往对结构的安全构成很大的潜在威胁,若不能即时发现，将导致结构的迅速破坏，从而降低使用寿命甚至结构失效，严重的还会导致突发性的灾难事故。

2001年11月12日，一家美国航空公司的587号航班起飞几分钟后坠毁，机上全部乘客及机组人员全部遇难。由于这架300-600型空中客车的碳复合材料尾翼和方向舵老化从机身上脱落。2005年3月6日，961号班机飞行后开始剧烈的晃动，后来迅速下坠。后查明是由于碳复合材料制成方向舵突然断裂。

由于复合材料具有显著的各向异性的特性，在损伤、失效等方面表现为机理复杂、现象多样、判别困难，特别是低速冲击下，复合材料的损伤微小，潜在危险很大。复合材料的损伤监测和识别方法是复合材料结构安全运行的基础和前提，也是其性能评估的依据。目前用于复合材料的传统无损检测方法非常耗时，同时还不具备实时在线大面积监测的功能，且大多数设备复杂，成本高，监测类型单一，对微小损伤还不能很好地检测到。总体来说，依靠单一的检测手段难以对大型的复合材料结构全面分析以及缺陷的准确定位，这些都迫切需要发展一种精确损伤识别方法和在线整体监测手段，结合工程实践、生产需要、光纤传感、可变形嵌入式电子器件等现有先进的监测方法以及复合材料特性、结构与载荷特性，开展新型复合材料损伤监测和识别方法的研究，这对改进对大型复合材料结构生产的质量控制与管理，提高生产效率和保障人身安全具有重要的理论价值和现实意义。

1.2 国内外研究现状

复合材料的损伤机理、疲劳破坏特征更加复杂，近年来针对复合材料层间剥离、裂纹和纤维断裂等问题，许多学者都进行了研究，包括对损伤的动力学建模、以及对复合材料的静、动力学特性分析

损伤机理及物理模型的研究现状

研究损伤的方法可以分为细观方法和宏观方法（即唯象学方法）。细观方法是根据材料的微细观成分(如基体、颗粒、空洞等)单独的力学行为以及它们的相互作用来建立宏观的考

虑损伤的本构关系，进而给出完整的损伤力学问题提法。细观模型为损伤变量和损伤演化赋予了真实的几何形象和物理过程，深化了对损伤过程本质的认识。但这种通常称为“自适应”方法的主要困难是需要经过许多简化假设才能从非均质的微细观材料过渡到宏观的均质材料。由于损伤机制非常复杂(例如多重尺度，多种机制并存及交互作用等)，人们对于微细观组成成分及其作用的了解还不够充分，细观方法的完备性和实用性还有待于进一步的研究和发展。宏观的即唯象的方法是以连续介质损伤力学的观点来研究材料的损伤破坏。它通过引入表征材料内部微细缺陷的损伤内变量，建立合适的损伤模型，在不可逆热力学相连续介质力学的均衡定律基础上导出损伤本构关系，用损伤广义力表征微细观缺陷损伤的作用和影响，建立唯象的损伤演变方程，对材料的损伤进行描述和分析。这一方法虽然需要细观模型的启发，但并不需要直接从微细观机制导出宏观量之间的理论关系式，而只要求所建守的模型以及由模型导出的推论与实际相符。由于这种方法是以材料的宏观力学性能测试为基础的，因此更便于工程实际的应用。[杨光松. 损伤力学与复合材料损伤[M]. 国防工业出版社，北京，1995]

复合材料由于材料结构的非均匀性和各向异性以及几何非连续性，它的损伤一破坏机制非常复杂，一般不存在象单一均匀材料那样的单条裂纹的自相似扩展。复合材料的破坏是损伤的产生、发展过程与结果。而且，损伤的产生与发展具有局部性、各向异性，并随时间与空间变化。损伤区包含大量基体微裂纹和宏观裂纹，纤维的弯折和断裂，纤维一基体界面脱胶以及层一层之间的分离等，很难用一种简单的破坏模式表征。A.S.D、Wang和G.K.Haritor 在《复合材料的损伤力学》(美国ASME1987年专题讨论会)文集序言中指出：“近年来，复合材料损伤用两种力学方法进行研究。一是连续损伤力学概念，把损伤处理为材料本构关系中的内变量。……在描述多相材料和一些纤维复合材料的分布微观损伤方面得到应用，另一是应用断裂力学于复合材料损伤，试图模拟真实断裂机制和微裂纹扩展”。

产生复合材料损伤一破坏的因素很多，最重要的至少有三方面：

I. 存在于纤维、基体和界面上的微缺陷，通常可分为层内缺陷、层间缺陷和纤维中的缺陷。

II. 复合材料层合板的各单层要根据承载需要设计为不同取向和次序，会直接影响到层间刚度匹配和应力分布，导致不同损伤破坏机制。

III. 载荷状况与分布有很大影响。即使在简单载荷下，层合板的各单层都在复杂应力作用下，其中面内应力分量可能引发基体裂纹和纤维断裂；面外应力分量可能引发分层断裂。然而，这两组应力分量并非独立的应力群，它们在损伤发展过程中互相祸合。不同机制损伤的同时或先后发生以及相互作用，使复合材料层合板损伤一破坏过程显现出非常复杂的现象。然而，在宏观上，这些损伤可分为三种断裂模式，即层内断裂、层间断裂和横层断裂。层内断裂与层间断裂，从微观上看，都属于基体破坏或纤维一基体界面分离，是沿纤维方向的断裂。然而，从宏观上看，前者是单层内的横向裂纹，而后者是层一层界面分层‘横层断裂主要是纤维断裂，它往往控制复合材料层合板的最终破坏[沈为. 复合材料损伤—破坏机