强聚合物基复合材料的疲劳损伤模型
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。
复合材料的力学模型与性能预测
复合材料的力学模型与性能预测在当今的工程领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。
从航空航天到汽车制造，从体育用品到医疗设备，复合材料的应用日益广泛。
然而，要充分发挥复合材料的优势，准确理解其力学行为和预测其性能至关重要。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
这些不同的组分相互作用，赋予了复合材料独特的性能。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和颗粒增强复合材料等。
为了研究复合材料的力学行为，科学家们建立了各种各样的力学模型。
其中，微观力学模型着重从材料的微观结构出发，分析单个纤维或颗粒与基体之间的相互作用。
通过这种模型，可以了解复合材料在微观尺度上的应力和应变分布，进而预测其整体性能。
例如，对于纤维增强复合材料，常用的微观力学模型有混合法则和等效夹杂模型。
混合法则基于材料的体积分数和各组分的性能，简单地对复合材料的性能进行估算。
虽然这种方法相对简单，但在一些情况下可能会产生较大的误差。
等效夹杂模型则将纤维视为等效的夹杂体，通过复杂的数学推导来计算复合材料的等效性能，其预测结果通常更为准确。
宏观力学模型则将复合材料视为均匀的连续体，不考虑其微观结构。
这种模型主要用于分析复合材料在宏观尺度上的力学响应，如梁、板等结构的弯曲、拉伸和压缩等行为。
常见的宏观力学模型包括经典层合板理论和有限元方法。
经典层合板理论将复合材料层合板视为由多层不同方向的单层板组成，通过叠加各单层板的贡献来计算层合板的整体性能。
这一理论在工程中得到了广泛的应用，但它对于复杂的加载情况和边界条件的处理能力有限。
有限元方法则是一种更为强大的工具，它可以模拟各种复杂的几何形状、加载条件和边界约束。
通过将复合材料结构离散为有限个单元，并对每个单元的力学行为进行分析，最终得到整个结构的响应。
有限元方法在复合材料的设计和分析中发挥着重要的作用，但它需要较高的计算资源和专业的软件支持。
T700复合材料层合板拉-拉疲劳性能
表 １ 试 验 件 尺 寸 表
Ｔ ｂ ｅ １ ｇ ｏ ｔｙ ｏ ｐ ｃｍｅ ｓ ａ ｌ ｅ ｍｅ ｒ ｆｓ ｅ ｉ ｎ
能 方 面的研 究 ， 目前仍 然还 较 为缺 乏 。 本 研 究 对 Ｔ０／ ３ ８复 合 材 料 试 件 进 行 了 拉一 ７０ ９６
拉 疲劳 试验 ， 对试 件 刚度 衰 减 和 疲 劳损 伤 扩 展 进 行 １ ２ 试 件 设备 与 方案 ．
第３ ２卷 第 ３期
２１ ０ ２年 ６月
航
空
材
料
学
报
Ｖ０． ２． Ｎｏ １３ ．３
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ ＡＥ ＲＯＮＡＵ ＣＡＬ ＭＡ ＥＲ ＡＬ ＴＩ Ｔ Ｉ Ｓ
Ｊ ｎ ２ １ ｕｅ ０２
Ｔ０ ７ ０复 合 材 料 层 合 板 拉 ． 疲 劳 性 能 拉
王 军 ， 程 小 全 ， 张 纪 奎 ， 郦 正 能
了层合板疲 劳累积损 伤模 型 ， 并从平均应力准 则概 念 出发 ， 立 了含孔层 合板 的疲劳 累积损伤模 型 。将试 验数 据 建 运用最ｄ －乘法拟合后代 入疲 劳损伤模型 ， ｘ 得到 Ｔ ０／ ３ ８光滑板 及含孔 板疲 劳寿命 的具体计 算公式 ， ７０９６ 应用 公式 预测 了在不 同应力水平下 的层 合板疲劳寿命 ， 与试 验结 果的吻合 良好 。 关键词 ： ７０ 复合材料层合 板 ， Ｔ０ ， 拉伸疲劳寿命
材料 拉一 拉疲 劳 试 验 方 法 ¨ 标 准 。试 验 环 境 条 件 ） 为 自然 干 态 （ 常态 ） 环境 温度 为 （ ３± ） 。 ， ２ ３℃ 对 三 组 试 件分 别 先 进 行静 载 拉 伸试 验 ， 到每 得
作者简介 ： 王军 （ 主要从 事 复合 材
复合材料的疲劳裂纹扩展研究
复合材料的疲劳裂纹扩展研究在现代工程领域，复合材料因其优异的性能而得到了广泛的应用。
然而，复合材料在长期承受循环载荷作用时，疲劳裂纹扩展问题成为了影响其可靠性和使用寿命的关键因素。
因此，对复合材料疲劳裂纹扩展的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的一种新型材料。
其具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀、耐高温等优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
但是，由于复合材料的组织结构和性能的复杂性，其疲劳裂纹扩展行为与传统金属材料有很大的不同。
复合材料的疲劳裂纹扩展机制较为复杂。
在疲劳载荷作用下，复合材料内部会产生多种损伤形式，如纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等。
这些损伤相互作用，共同影响着疲劳裂纹的扩展。
与金属材料的疲劳裂纹通常沿着晶界或滑移面扩展不同，复合材料中的疲劳裂纹可能会沿着纤维方向、基体内部或者纤维与基体的界面扩展，这取决于材料的组成、纤维的排布方式以及加载条件等因素。
影响复合材料疲劳裂纹扩展的因素众多。
首先是材料的组成和结构。
纤维和基体的性能、纤维的体积含量、纤维的排布方式等都会对疲劳裂纹扩展产生重要影响。
例如，高强度的纤维可以提高复合材料的疲劳性能，而纤维与基体之间良好的界面结合则有助于阻止裂纹的扩展。
其次，加载条件也是一个关键因素。
加载频率、应力比、最大应力等都会改变疲劳裂纹的扩展速率。
此外，环境因素如温度、湿度等也会对复合材料的疲劳性能产生不可忽视的影响。
为了研究复合材料的疲劳裂纹扩展，实验研究是必不可少的手段。
常见的实验方法包括恒幅疲劳实验、变幅疲劳实验和疲劳裂纹扩展实验等。
在这些实验中，可以通过测量裂纹长度随循环次数的变化来获得疲劳裂纹扩展速率。
同时，借助先进的检测技术，如 X 射线衍射、电子显微镜等，可以对疲劳损伤的微观机制进行深入分析。
在理论研究方面，已经建立了一些模型来描述复合材料的疲劳裂纹扩展行为。
复合材料的疲劳失效分析
复合材料的疲劳失效分析疲劳失效是复合材料工程中一个非常重要的问题，它直接影响到材料和结构的可靠性和寿命。
复合材料具有较好的强度和刚性，但由于其异质性和复杂的微观结构，容易受到疲劳破坏的影响。
因此，进行复合材料的疲劳失效分析对于材料和结构的设计以及使用和维护具有重要的意义。
1. 疲劳失效的定义和特点疲劳失效是指材料或结构在交变载荷作用下，由于应力循环的反复作用，导致材料或结构在经历一定循环次数后发生永久变形或破坏的现象。
复合材料的疲劳失效具有以下几个特点：- 疲劳失效往往发生在应力水平远低于材料静态强度的情况下。
- 疲劳失效的破坏是由于微观缺陷在应力作用下逐渐扩展形成裂纹并扩展导致的。
- 复合材料的疲劳性能受到多种因素的影响，如材料的成分、结构、制备工艺等。
2. 疲劳失效的机理复合材料的疲劳失效机理主要涉及到两个方面：- 微观层面：复合材料中的纤维和基体之间存在着界面，界面强度较低，容易发生失效。
在疲劳载荷的作用下，界面处产生应力集中，从而引发微裂纹的形成和扩展。
- 组织层面：复合材料中的纤维方向和层压层面的剪切层间力会导致疲劳失效，其疲劳裂纹的形成和扩展路径不同于金属材料。
3. 疲劳失效的评估方法为了评估复合材料的疲劳性能和预测其寿命，常用的方法包括实验测试和数值分析。
实验测试：通过设计合适的实验方案，可以获取材料在不同载荷水平、载荷频率和环境条件下的疲劳性能数据。
实验方法主要包括疲劳试验、疲劳寿命曲线绘制和断口分析等。
数值分析：借助计算机模拟技术，可以通过建立复合材料的数学模型和材料参数，对材料在不同载荷作用下的疲劳性能进行分析和预测。
常用的数值方法包括有限元分析、断裂力学方法等。
4. 疲劳失效分析的影响因素复合材料的疲劳失效受到多种因素的影响：- 材料因素：包括纤维类型、基体材料、界面性能、纤维含量等。
- 结构因素：包括层压层数、层间厚度、叠层方式等。
- 成型工艺：包括固化温度、固化时间、压力等。
基于疲劳损伤两段论的复合材料刚度降模型研究
关 键 词 ：复合 材 料 ；剐度 降 ；损 伤 ；ＳＮ 曲线 － 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ２ Ｂ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ ０ ９ （０ ０ ｏ — ０ ６—０ ０ ３— ９ ９ ２ １ ） １ ０ １ ４
复合材 料层压 板 由于具 有较 高 的 比强度 和 比刚 度 ， 现代航 空航 天 的各 种结 构 上 都 得 到 了广 泛 应 在
板 的抗 疲 劳 性 能 直 接 关 系 到 结 构 的 安 全 性 和 可 靠 性， 因此预测 层合 板 的强 度 与疲 劳 寿 命 具有 重 要 的
工程实 际意 义 。 复合材 料 的损 伤 、 裂 和克 服 了单 一 函数 在疲 劳损 从
到一 个试验 数据 点 ， 比较 两 个试 验件 的损 伤 状态 要
非常困难 。而剩余刚度可以在试验 中连续测量而不 会影 响材 料 的性 能 ， 随着 材 料 内部损 伤 的不 断 积 它 累而单 调下 降 ， 因此 刚 度 是 个 非 常 有潜 力 的宏 观
无 损检 测参 数 ， 余 刚 度模 型也 是 复 合材 料 疲 劳 特 剩
性 研究 最有前 途 的方 向 。已有 诸 多文献 提 出了各 种
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图 １ 复合材料疲劳损伤演化规律
Ｆ ｇ １ Ｔ ｅ ｅ ｏ ｕｉ ｎ ｌｒ ｌ ｆｃ ｍｐ ｓｔ ｔ ｕ ａ ｇ ｉ ． ｈ ｖ ｌ ｔ ａ ｕ ｅ ｏ ｏ ｏ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｍａ ｅ ｏ ｅａｇ
用 ， ， ２ 其疲 劳 问题 也 逐 渐 受 到 人 们 的重 视 。层 压 Ｊ
度 的原 因。 本 文 在 刚 度 降 疲 劳 累 积损 伤 理 论 基 础 上， 根据疲 劳损 伤 的两 阶段 理论 ， 将复 合材料 的疲 劳
复合材料的疲劳寿命与评估
复合材料的疲劳寿命与评估在现代工程领域中，复合材料凭借其优异的性能，如高强度、高刚度、耐腐蚀性等，得到了越来越广泛的应用。
然而，与传统材料相比，复合材料的疲劳性能更为复杂，对其疲劳寿命的准确评估成为了设计和使用过程中的关键问题。
复合材料的疲劳损伤机制与传统金属材料有很大的不同。
金属材料通常在疲劳过程中会出现明显的裂纹萌生和扩展阶段，而复合材料则由于其多相、各向异性的特点，损伤往往表现为纤维与基体的界面脱粘、纤维断裂、基体开裂等多种形式的组合。
这些微观损伤的累积和相互作用，最终导致材料的宏观性能下降和失效。
影响复合材料疲劳寿命的因素众多。
首先是材料本身的特性，包括纤维和基体的性能、纤维体积分数、纤维的排列方式等。
例如，高强度的纤维和良好的纤维基体界面结合能够显著提高复合材料的疲劳性能。
其次，加载条件也是重要的影响因素。
加载的频率、应力幅、平均应力以及加载的波形等都会对疲劳寿命产生影响。
此外，环境因素如温度、湿度、化学介质等也可能加速复合材料的疲劳损伤过程。
为了评估复合材料的疲劳寿命，研究人员开发了多种方法。
其中，试验方法是最直接和可靠的手段。
通过在不同的加载条件下进行疲劳试验，可以获得材料的疲劳寿命曲线，即应力幅与疲劳寿命之间的关系。
然而，试验方法往往需要耗费大量的时间和成本，而且对于复杂的结构和加载情况，试验实施可能存在困难。
基于力学理论的分析方法也是常用的评估手段之一。
例如，有限元方法可以模拟复合材料在疲劳加载下的应力应变分布，进而预测疲劳损伤的起始和扩展。
这种方法可以考虑材料的微观结构和性能的不均匀性，但需要准确的材料本构模型和损伤演化规律，否则可能导致较大的误差。
另外，基于累积损伤理论的方法也在复合材料疲劳寿命评估中得到了应用。
这些理论通常假设疲劳损伤是一个逐渐累积的过程，通过建立损伤变量与加载循环次数之间的关系，来预测材料的疲劳寿命。
然而，由于复合材料损伤机制的复杂性，累积损伤理论的应用还存在一些局限性。
纤维增强复合材料的疲劳损伤模型及分析方法
纤维增强复合材料的疲劳损伤模型及分析方法纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度高等优良材料性能,广泛应用于航空、航天等领域。
静载荷作用下复合材料的强度、刚度研究已取得了很大成果,随之而来被静强度所覆盖的复合材料疲劳成为关注的重点。
复合材料的疲劳损伤机理比金属材料更加复杂,针对不同材料、不同组分,复合材料的疲劳特性及失效模式不尽相同。
纤维增强复合材料是由纤维、基体以及界面所组成的各向异性材料,在疲劳交变载荷作用下其结构内部会产生基体微裂纹、基纤界面脱粘、分层和纤维断裂等四种基本破坏模式以及由于不同损伤相互耦合作用而形成的诸多综合破坏形式。
因此,研究疲劳交变载荷作用下复合材料内部的损伤演化机理,对复合材料的疲劳寿命进行预测具有重要的理论和工程意义。
本文从连续损伤力学理论出发,研究不同加载方式作用下纤维增强复合材料的疲劳损伤机理,预测复合材料层合板的疲劳寿命。
具体研究工作如下:1.以连续损伤力学理论和Ladevèze理论方法为基础,研究纤维增强复合材料单向层合板内部疲劳损伤演化机理。
将纤维增强复合材料偏轴单向层合板的疲劳损伤分为面内轴向、横向和剪切三种损伤模式,建立含损伤复合材料单向层合板本构方程,揭示疲劳载荷作用下面内横向和剪切损伤的耦合机理。
根据热力学原理,利用Gibbs自由能函数得到多轴疲劳载荷作用下损伤驱动力的一般表达形式,进而得到纯横向拉伸和纯剪切疲劳交变载荷作用下的损伤驱动力。
以不可逆热动力学理论为基础,建立考虑面内轴向、横向和剪切耦合作用的三种损伤演化方程。
分别利用玻璃纤维增强复合材料0o、90o和45o偏轴单向层合板疲劳试验拟合面内轴向、横向和剪切损伤演化方程参数。
提出考虑面内轴向、横向和剪切损伤模式的疲劳失效判据,建立纤维增强复合材料单向层合板疲劳损伤模型,分析其内部疲劳损伤失效机理,利用数值解法预测纤维增强复合材料偏轴单向层合板的疲劳寿命并与试验结果比较,验证模型的正确性。
复合材料的疲劳性能评估
复合材料的疲劳性能评估复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料，具有轻质、高强度和高弹性模量等优点，在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域有广泛的应用。
然而，复合材料在长期使用过程中，会受到疲劳载荷的影响，从而导致材料的疲劳破坏。
为了在设计和工程实践中更好地处理复合材料的疲劳问题，对其疲劳性能进行准确评估是非常重要的。
一、引言复合材料的疲劳性能评估是一项复杂而关键的工作，对于确保材料的可靠性和耐久性具有重要的作用。
针对不同的工程需求，研究人员发展了多种疲劳性能评估方法，其中最常用的包括应力控制和应变控制测试。
这些方法结合实验和数值仿真的手段，能够揭示复合材料在不同载荷下的疲劳行为和寿命预测。
二、疲劳性能评估方法1. 应力控制测试应力控制测试是一种常见且有效的评估复合材料疲劳性能的方法。
在该测试中，通过加载应力到复合材料试样上，观察其承受载荷的情况并记录下来。
根据不同的应力水平和载荷周期，可以绘制出应力幅度与载荷周期的曲线，进而得到材料的疲劳寿命和疲劳极限。
2. 应变控制测试应变控制测试是另一种常用的疲劳性能评估方法。
在该测试中，通过加载应变到复合材料试样上，观察其变形情况并记录下来。
通过改变应变水平和载荷周期，可以得到复合材料的疲劳行为和耐久性能。
三、实验和数值仿真的结合为了更准确地评估复合材料的疲劳性能，实验和数值仿真通常会结合使用。
实验测试可以提供直观的数据和试验结果，然而其受到试验条件和设备限制的影响，很难完全表现出材料的真实疲劳行为。
数值仿真可以通过建立复材料的本构模型，基于材料特性和载荷情况，预测材料在不同时间和载荷下的疲劳性能。
通过数值仿真可以对复合材料进行虚拟试验，以寻找可能的失效部位和寿命预测。
四、疲劳寿命预测疲劳寿命预测是复合材料疲劳性能评估的重要组成部分，对于指导工程设计和优化具有指导意义。
根据实验和数值仿真的数据，可以基于疲劳损伤理论、线性累积损伤模型或多因素耦合模型等，建立寿命预测模型，预测复合材料的疲劳寿命。
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
复合材料的疲劳寿命预测模型
复合材料的疲劳寿命预测模型在现代工程领域，复合材料因其优异的性能而得到了广泛的应用。
然而，与传统材料相比，复合材料的疲劳行为更为复杂，这使得对其疲劳寿命的准确预测成为了一个关键问题。
疲劳寿命预测模型的建立不仅有助于优化复合材料的设计和制造过程，还能提高产品的可靠性和安全性。
复合材料的疲劳损伤机制十分复杂，涉及到多种微观和宏观的失效模式。
从微观角度来看，纤维与基体之间的界面脱粘、纤维断裂以及基体开裂等都会逐渐累积，最终导致材料的疲劳失效。
在宏观层面，复合材料的各向异性、层间性能差异以及复杂的加载条件等因素也会显著影响其疲劳寿命。
目前，用于复合材料疲劳寿命预测的模型主要可以分为三类：基于唯象学的模型、基于力学的模型和基于概率统计的模型。
基于唯象学的模型通常基于大量的实验数据，通过拟合经验公式来描述复合材料的疲劳寿命与加载条件之间的关系。
这类模型相对简单，易于应用，但由于缺乏对疲劳损伤机制的深入理解，其适用范围往往较为有限。
例如，SN 曲线就是一种常见的唯象学模型。
通过对不同应力水平下的疲劳寿命进行测试，然后将数据绘制成应力幅（S）与疲劳寿命（N）的关系曲线。
然而，SN 曲线无法考虑加载频率、加载顺序等因素的影响。
基于力学的模型则试图从复合材料的微观结构和力学行为出发，建立疲劳损伤的演化方程。
常见的力学模型包括连续损伤力学模型和断裂力学模型。
连续损伤力学模型将材料内部的损伤视为连续变量，通过定义损伤变量来描述材料性能的逐渐劣化。
断裂力学模型则关注裂纹的萌生和扩展过程，通过计算裂纹扩展速率来预测疲劳寿命。
这类模型虽然能够更深入地揭示疲劳损伤的本质，但往往需要复杂的数值计算和大量的材料参数。
基于概率统计的模型考虑了材料性能和加载条件的不确定性，通过概率分布函数来描述复合材料疲劳寿命的分散性。
例如，Weibull 分布、对数正态分布等常常被用于描述复合材料的疲劳寿命分布。
概率统计模型可以为设计提供更可靠的依据，但需要大量的实验数据来确定分布参数。
复合材料结构的疲劳试验研究
复合材料结构的疲劳试验研究随着科技的不断发展，复合材料在工程结构中的应用越来越广泛。
由于复合材料优异的物理和力学特性，它被广泛应用于航空、汽车、海洋、电子等领域。
然而，在复合材料结构应用的过程中，疲劳寿命成为制约其使用的重要因素。
因此，研究和分析复合材料结构的疲劳试验变得越来越重要。
一、复合材料的疲劳特性在研究复合材料结构的疲劳试验之前，我们需要了解复合材料的疲劳特性。
复合材料的疲劳行为受到许多因素的影响，包括应力水平、振荡幅值、振荡频率等。
由于复合材料是由多种材料组成的，因此它的疲劳行为也受到这些材料的影响。
例如，复合材料中纤维的方向、大小、排列方式等都会影响它的疲劳寿命。
复合材料疲劳行为的研究主要包括疲劳试验和疲劳模型。
疲劳试验通常是通过施加不同的应力水平、振荡幅值和振荡频率来研究材料在不同工况下的疲劳寿命。
而疲劳模型则是通过分析试验数据，建立材料的疲劳寿命和施加应力之间的关系，以预测材料在实际工作条件下的疲劳寿命。
二、复合材料结构的疲劳试验方法复合材料结构的疲劳试验是评估复合材料结构在实际工作条件下的疲劳寿命的一种方法。
这种试验通常采用恒幅加载或变幅加载的方式来模拟材料在实际工作条件下的疲劳状态。
恒幅加载试验是在相同的应力水平下进行的，而变幅加载试验则是在不同的应力水平下进行的。
在复合材料结构的疲劳试验过程中，需要对试验的参数进行精确测量。
这些参数包括振幅、振动频率、应力幅、应力比、位移等。
此外，还需要测量复合材料试样表面的裂纹长度、裂纹方向和裂纹密度等参数，以评估试样的疲劳损伤程度。
三、复合材料结构疲劳试验的实例以复合材料制成的梁为例，来探讨复合材料结构疲劳试验的实施过程。
首先，需要根据实际工况和材料特性选择适当的试验参数。
例如，梁的载荷大小和载荷方向、振动频率、振幅等参数。
然后，需要制备符合要求的试验样品，通常采用层压法制备。
制备好的试验样品需要进行预处理，例如剪切、打砂等处理，以保证试样表面的光滑度和均匀性。
复合材料的疲劳性能及其测试方法
复合材料的疲劳性能及其测试方法在现代工程领域中，复合材料因其出色的性能而得到了广泛的应用。
从航空航天到汽车制造，从体育器材到医疗器械，复合材料的身影无处不在。
然而，要确保这些材料在长期使用中的可靠性和安全性，了解其疲劳性能以及掌握有效的测试方法就显得至关重要。
复合材料的疲劳性能是指材料在反复加载和卸载的循环作用下，抵抗破坏的能力。
与传统的单一材料相比，复合材料的疲劳性能具有一些独特的特点。
首先，复合材料通常由两种或两种以上不同性质的材料组成，如纤维增强树脂基复合材料中的纤维和树脂。
这种多相结构使得其疲劳损伤的机理更加复杂。
在疲劳加载过程中，不仅存在纤维的断裂、拔出，还可能有树脂的开裂、分层等多种损伤形式同时发生，并且这些损伤之间相互影响，相互作用。
其次，复合材料的疲劳性能受到多种因素的影响。
纤维的类型、含量、排列方向，树脂的性能，以及纤维与树脂之间的界面结合强度等都会对其疲劳性能产生显著的影响。
例如，高强度的纤维可以提高复合材料的疲劳强度，但如果纤维与树脂的界面结合不良，就容易在疲劳加载过程中发生脱粘，从而降低材料的疲劳寿命。
再者，复合材料的疲劳性能还具有明显的各向异性。
由于纤维的定向排列，使得材料在不同方向上的力学性能存在差异，进而导致其疲劳性能也呈现出各向异性。
这就要求在设计和使用复合材料时，必须充分考虑材料的方向性，以避免在疲劳载荷作用下发生意外的破坏。
了解了复合材料疲劳性能的特点，接下来我们来探讨一下其测试方法。
常见的复合材料疲劳测试方法主要包括拉伸拉伸疲劳测试、弯曲疲劳测试和扭转疲劳测试等。
拉伸拉伸疲劳测试是最常用的方法之一。
在这种测试中，试样在轴向受到周期性的拉伸载荷。
通过控制加载的频率、应力幅值和应力比等参数，来模拟实际使用中的疲劳工况。
测试过程中，需要实时监测试样的应变、位移以及裂纹的扩展情况等，以评估材料的疲劳性能。
弯曲疲劳测试则是将试样置于三点弯曲或四点弯曲的加载方式下进行疲劳试验。
聚合物复合材料的力学性能测试与分析
聚合物复合材料的力学性能测试与分析聚合物复合材料是由聚合物基质和填充物组成的一种新型材料，具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、汽车、建筑等领域。
然而，为了确保复合材料的可靠性和安全性，需要进行力学性能测试与分析。
一、引言聚合物复合材料由于其优越的力学性能在许多领域得到广泛应用。
然而，在实际使用过程中，复合材料会受到外界环境的影响，如温度、湿度和荷载等。
因此，对复合材料的力学性能进行测试和分析是十分重要的。
二、拉伸性能测试与分析拉伸性能是评价聚合物复合材料力学性能的重要指标之一。
拉伸试验通过施加拉伸力来测量复合材料在拉伸过程中的变形和破坏行为。
通过拉伸试验可以获得材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率等参数。
在拉伸性能测试后，需要对测试数据进行分析。
通过绘制应力-应变曲线，可以了解到材料在不同应变下的力学响应情况。
此外，还可以利用杨氏模量计算复合材料的刚度。
三、压缩性能测试与分析压缩性能是指材料在受到压力时的抵抗能力。
压缩试验是通过施加压缩力来测量材料的强度和变形行为。
通过压缩试验可以得到材料的弹性模量、屈服强度、抗压强度和压缩应变等参数。
压缩性能的测试和分析与拉伸性能类似，都需要绘制应力-应变曲线，并计算杨氏模量。
不同的是，在压缩过程中，材料的破坏方式通常是屈曲，对于复合材料而言，还可能出现层间剥离的现象。
四、弯曲性能测试与分析弯曲性能是指材料在施加弯曲力时的抵抗能力。
弯曲试验是通过施加弯曲力来测量材料的刚度和弯曲行为。
通过弯曲试验可以得到材料的弯曲模量、弯曲强度和断裂伸长率等参数。
弯曲性能的测试和分析也类似于拉伸性能和压缩性能。
通过绘制应力-应变曲线，可以了解材料在不同应变下的力学响应情况。
此外，还可以利用弯曲模量计算复合材料的刚度。
五、疲劳性能测试与分析疲劳性能是指材料在反复加载下的耐久能力。
疲劳试验是通过施加交变载荷来模拟材料在实际使用中的循环加载，并测量材料的寿命和损伤程度。
复合材料的疲劳性能与评估
复合材料的疲劳性能与评估在现代工程领域中，复合材料因其卓越的性能而备受青睐。
然而，要确保复合材料在长期使用中的可靠性，了解其疲劳性能并进行准确评估是至关重要的。
复合材料由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，通过特定的工艺结合在一起，形成一种性能优于单一材料的新型材料。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和层合复合材料等。
疲劳性能是指材料在循环载荷作用下，抵抗裂纹萌生和扩展，从而保持其结构完整性和性能稳定性的能力。
对于复合材料来说，其疲劳性能具有一些独特的特点。
首先，复合材料的疲劳损伤机制较为复杂。
与传统金属材料的单一裂纹扩展模式不同，复合材料在疲劳过程中可能同时出现纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等多种损伤形式，并且这些损伤之间相互影响，使得疲劳行为变得更加难以预测。
其次，复合材料的疲劳性能受到多种因素的影响。
纤维和基体的性能、纤维的体积含量和分布、铺层方式、制造工艺等都会对复合材料的疲劳性能产生显著影响。
例如，纤维的强度和弹性模量越高，复合材料的疲劳性能通常越好；合理的铺层方式可以提高复合材料抵抗疲劳损伤的能力。
那么，如何评估复合材料的疲劳性能呢？目前，常用的方法主要包括试验研究和数值模拟。
试验研究是评估复合材料疲劳性能最直接、最可靠的方法。
通过在实验室中对复合材料试样施加一定频率和幅值的循环载荷，观察试样在疲劳过程中的损伤演化和失效模式，从而获取疲劳寿命、疲劳强度等关键性能参数。
在试验中，需要严格控制试验条件，如载荷类型（拉伸拉伸、压缩压缩、弯曲等）、加载频率、环境温度和湿度等，以确保试验结果的准确性和可重复性。
然而，试验研究往往需要耗费大量的时间和成本，而且对于一些复杂结构的复合材料部件，直接进行试验可能存在困难。
这时，数值模拟就成为了一种有效的补充手段。
数值模拟可以基于有限元方法等技术，建立复合材料的微观或宏观模型，模拟其在循环载荷下的应力分布和损伤演化过程。
复合材料渐进损伤退化本构模型
复合材料渐进损伤退化本构模型随着工程领域的不断发展和复杂化，使用复合材料的应用范围越来越广泛。
由于复合材料具有高强度、高刚度和轻质化的优点，因此在航空航天、汽车、船舶和民用工程等领域得到广泛应用。
然而，复合材料在使用过程中往往会受到各种外部载荷的作用，导致材料内部的损伤逐渐积累和发展。
对于这种渐进损伤退化的行为，建立本构模型能够更好地描述材料的力学性能，并有效预测材料的寿命。
1. 复合材料的渐进损伤退化行为复合材料的渐进损伤退化行为是指材料在长期受载作用下逐渐累积损伤并导致力学性能的退化。
这种行为在复材料的结构设计和寿命预测中具有重要意义。
复合材料的渐进损伤退化行为主要包括疲劳、开裂、层间剥离、纤维断裂等多种损伤模式。
这些损伤模式的发展会导致材料强度和刚度的下降，最终影响材料的使用性能和寿命。
2. 复合材料的本构模型复合材料的本构模型是描述材料力学性能的数学模型，能够通过一定的数学方程和参数来描述材料的应力-应变关系。
传统的本构模型多是基于线性弹性理论建立的，无法很好地描述复合材料的损伤退化行为。
针对复合材料的渐进损伤退化行为，需要建立能够描述损伤发展过程的非线性本构模型。
3. 渐进损伤退化本构模型的建立为了更好地描述复合材料的渐进损伤退化行为，研究人员提出了许多渐进损伤退化本构模型。
这些模型主要基于断裂力学、塑性损伤理论、细观本构理论等原理建立，并结合了材料的微观结构和损伤机理。
常见的渐进损伤退化本构模型包括本构关系修正法、能量释放率法、损伤张量法、微裂纹模型等。
这些模型能够有效地描述复合材料在渐进损伤过程中的力学行为，并为材料的寿命预测提供更准确的方法。
4. 渐进损伤退化本构模型的应用渐进损伤退化本构模型在复合材料的结构设计和寿命预测中具有重要应用价值。
通过建立适合复合材料损伤特性的本构模型，可以更准确地预测材料的寿命和使用性能。
在工程实践中，这些本构模型还可以用于分析复合材料结构在不同载荷下的损伤演化和寿命预测，为材料的设计和改进提供重要参考依据。
复合材料的疲劳行为与评估
复合材料的疲劳行为与评估在现代工程领域，复合材料因其卓越的性能而备受青睐。
然而，要充分发挥其优势，深入理解和准确评估其疲劳行为至关重要。
复合材料的疲劳现象是一个复杂而又关键的问题。
简单来说，疲劳就是材料在循环载荷作用下性能逐渐劣化，最终导致失效的过程。
与传统的单一材料相比，复合材料的疲劳行为具有独特性。
首先，复合材料通常由两种或更多种不同性质的材料组成，如纤维增强树脂基复合材料中的纤维和树脂。
这使得其内部的应力分布和损伤机制更为复杂。
在循环载荷下，不同组分之间的相互作用会影响整体的疲劳性能。
其次，复合材料的微观结构对疲劳行为有显著影响。
纤维的排列方式、纤维与基体的界面结合强度等因素都会改变材料在疲劳过程中的裂纹萌生和扩展路径。
为了评估复合材料的疲劳性能，研究人员采用了多种方法。
其中，疲劳试验是最直接也是最常用的手段。
通过对试样施加一定频率和幅值的循环载荷，记录其在不同循环次数下的响应，如应力、应变、刚度等的变化，从而获取疲劳寿命等关键数据。
在疲劳试验中，试样的制备和试验条件的选择至关重要。
试样要能够代表实际使用中的材料结构和性能，试验条件要尽可能模拟实际工作环境中的载荷情况。
除了试验方法，数值模拟也在复合材料疲劳评估中发挥着越来越重要的作用。
通过建立复合材料的微观或宏观模型，利用有限元等方法计算在循环载荷下的应力应变分布，预测疲劳裂纹的萌生和扩展，为材料设计和结构优化提供依据。
然而，无论是试验还是模拟，都面临着一些挑战。
例如，复合材料的性能具有较大的分散性，这使得试验结果的重复性和可比性受到一定影响。
在数值模拟中，如何准确地描述复合材料的微观结构和损伤机制仍然是一个难题。
在实际应用中，对复合材料疲劳行为的评估需要综合考虑多个因素。
材料的制造工艺、使用环境、结构设计等都会对其疲劳性能产生影响。
例如，制造过程中的缺陷、使用环境中的温度和湿度变化，以及结构中的应力集中等都可能加速疲劳损伤的发展。
为了提高复合材料的疲劳性能，一方面可以从材料本身入手，优化纤维和基体的性能以及它们之间的界面结合；另一方面，可以通过改进结构设计，减少应力集中，合理分配载荷，从而延长复合材料结构的疲劳寿命。
复合材料的疲劳寿命与性能评估研究
复合材料的疲劳寿命与性能评估研究在现代工程领域，复合材料因其卓越的性能而备受青睐。
然而，要确保这些材料在长期使用中的可靠性，对其疲劳寿命和性能的准确评估就显得至关重要。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
它们通常结合了各组成材料的优点，表现出比单一材料更出色的性能，例如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等。
然而，正是由于其复杂的组成和结构，使得对其疲劳性能的研究和评估充满了挑战。
复合材料的疲劳损伤机制与传统的单一材料有很大的不同。
在疲劳加载过程中，复合材料内部可能会出现纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等多种损伤形式。
这些损伤相互作用、累积，最终导致材料的失效。
而且，复合材料的各向异性特性也使得其疲劳行为在不同方向上存在差异。
为了评估复合材料的疲劳寿命，研究人员采用了多种实验方法。
其中，疲劳试验是最直接也是最常用的手段。
通过在不同应力水平和加载频率下对试样进行循环加载，可以得到材料的疲劳寿命曲线。
在试验过程中，需要精确控制加载条件，监测材料的变形、损伤发展等参数。
除了实验研究，数值模拟方法在复合材料疲劳分析中也发挥着越来越重要的作用。
有限元分析（FEA）是一种常见的数值模拟技术，它可以建立复合材料的微观或宏观模型，模拟疲劳加载过程中的应力分布和损伤演化。
通过与实验结果的对比验证，可以提高数值模型的准确性和可靠性，为材料的设计和优化提供有力的支持。
在评估复合材料性能时，需要考虑多个方面的因素。
首先是力学性能，包括拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等。
这些性能指标直接反映了材料在受力情况下的承载能力。
其次是物理性能，如密度、热膨胀系数等，它们对于材料在不同环境条件下的使用具有重要意义。
此外，还有化学性能，如耐腐蚀性、抗氧化性等，这些性能决定了材料的使用寿命和稳定性。
对于复合材料的疲劳寿命预测，目前已经有了许多理论模型。
其中一些基于损伤力学的原理，通过建立损伤变量与疲劳循环次数之间的关系来预测寿命；另一些则结合统计学方法，考虑材料性能的分散性和不确定性。
先进聚合物基复合材料疲劳性能测试与分析方法的研究现状
１ 疲劳性能的试验方法
为了模拟复合材料在真实环境下承受的疲劳 行 为，国 内 外 研 究 人 员 们 提 出 了 多 种 试 验 方 法。 按照循环疲劳载荷的加载方式划分包括：拉 －拉 疲劳、拉 －压疲劳、压压 －疲劳、弯曲疲劳等。人 们大多沿袭金属疲劳性能的研究方法，对复合材 料进行拉 －拉疲劳和弯曲疲劳试验［５－６］。王军［７］ 等人对 Ｔ７００／９３６８光滑板及含孔层合板进行静 载拉伸试验，得到静拉伸强度，用以确定疲劳试验 所需的 载 荷，随 后 选 择 静 态 拉 伸 强 度 的 ６０％、 ６５％和 ７０％三个应力水平按照 ＨＢ５４４０—１９８９标 准的要求对复合材料进行了拉 －拉疲劳试验。提 高载荷应力水平可以减少疲劳试验循环次数、缩 短试验时间。经研究发现碳纤维增强复合材料最 大疲劳载荷可达到其静拉伸强度的 ８０％，玻璃纤 维增强复合材料最大疲劳载荷也能达到 ６０％［８］。 在较大的循环载荷作用下，若夹持力过大，试件容 易被夹碎；若夹持力太小，试件与夹头之间容易出 现打滑。潘 利 剑［９］等 人 对 测 试 玻 璃 纤 维 复 合 材 料疲劳性能的试验夹具以及试样尺寸进行了改 进，提出了开孔拉伸式哑铃形疲劳性能试验方法，
第 ３５卷
钛之后重要的结构材料，近年来广泛应用于航空 航天、船舶、汽车、建筑等诸多领域，特别是在航空 航天飞行器上作为制备结构件的使用量逐渐增 加。随着复合材料的广泛应用，由于材料本身存 在的一些缺点以及许多与材料性能相关的问题逐 渐显现出来［１－２］。结构材料的疲劳性能对飞行器 的可靠性和安全性起着决定性影响。飞行器上复 合材料结构在整个服役期间，反复作用的疲劳载 荷是内部构件承受的主要载荷。飞行器的主要运 行环境包括：高低温、湿热、热循环，环境因素一般 会导致复合 材 料 力 学 性 能 下 降 ［３－４］，因 此 复 合 材 料在环境因素下疲劳性能方面的研究对于保证飞 行器的安全和提高其使用寿命具有重要的意义。
复合材料损伤研究现状
复合材料损伤研究现状复合材料是一种新型材料，由于其具有比强度、比模量高等优点，使其在众多领域都具有潜在的应用可能性。
然而复合材料是由纤维、基体、界面等组成，其细观构造是一个复杂的多相体系，而且是不均匀和多向异性的，这使其结构内部的损伤与普通材料结构不同，在结构表面可能完全看不出损伤迹象，甚至用X 光和超声分层扫描也探测不到。
现有的各种无损检测方法很难对复合材料结构损伤进行准确的探测与损伤程度评估，更无法对使用中的复合材料结构实现在线实时监测。
将智能传感器敏感网络埋入复合材料内部，并配合适当的现代信号处理技术，构成智能复合材料结构系统，从而实现对复合材料内部状态的在线实时监测，及时发现并确定材料结构内部损伤的位置和程度,监视损伤区域的扩展，从而为材料结构的损伤检测、维修及自我修复提供准确信息，避免因复合材料结构损伤而带来巨大的损失。
由于智能复合材料内部传感网络信号具有高度非线形、大数量、并行等特点，故使用传统的分析方法进行处理往往十分耗时、困难，甚至完全不可能。
而现代模式识别方法(包括人工神经网络)、小波分析技术、时间有限元模型理论以及光时域反射计检测技术等就成为实现实时、在线、智能化处理分布式信号的理想工具。
结构损伤诊断，即对结构进行检测与评估，确定结构是否有损伤存在，进而判别结构损伤的程度和方位，一级结构目前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势等。
结构损伤诊断是近40年来发展起来的一门新学科，是一门适应工程实际需要而形成的交叉学科。
结构损伤诊断概念的提出和发展，机械故障诊断问题开始引起各国政府的重视。
美国国家宇航局（NASA）成立了机械故障预防小组（MFPG），英国成立了机器保健中心（MHMC），这些机构专门从事故障机理、检测、诊断和预报的技术研究，以及可靠性分析及耐久性评价，至此大型旋转机械的状态监测与故障诊断技术开始进入实用化阶段。
20世纪80年代，以微型计算机为核心的现代故障诊断技术得到了迅速发展，涌现出许多商业化得计算机辅助监测和故障诊断系统，如美国SCIENTIFIC公司的PM系统、我国研制的大型旋转机械计算机状态检测与故障诊断系统等。
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木
戚东涛
聚合物基复合材料的力学化学分子链疲劳损伤模型在模型中引入表示基体树脂和界面分子链断裂数占枸 料分子链邑数的比例Ａ。和ｎＩ来描述基体断裂主导和界面断裂主导的损伤，给出剩余强度与疲劳过程巾
微观断裂机职结构参数、物理化学参数和力学性能变化之间的关系
关键词
与短玻璃纤维增强树脂摹复台材料
（ＳＭＣ）的恒载荷谴劳宴骑结果比较．本模璎预测的疲劳剩余强度与宴验值吻台得比较好 复台材料，疲劳损伤，力化学效应，分丁链模型
巩砥桊仙器
料脚十承载能力之胀关系㈣
聪
（１３）
其中Ａ。、Ａ１分别表示基体树脂分子链断裂和界面分子链发生的疲劳断裂占材料中疲劳 损伤总数的比例，与疲劳试验条件和材料内部微观结构有关，且Ａｍ＋ＡＩ“１由损伤变量与材
型：１一。，，
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叮见，材料内部的完好分子主链数是确定值．对于不同的材料，材料内部完好的分严主链数壁
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第１８卷第１期
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纤维增强聚合物基复合材料的疲劳损伤模型
程光旭 李志军
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从微观离散分子力学出发，考虑力学化学的交互作用和材料微观组织的影响，建立了纤维增强
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（６）
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（７）
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ｍ）用ｏ）＝ｅｘｐ［等导］＝ｅｘｐ［一叫
疲劳断裂反应速度系数．由此得到材料经ｎ个刷次循环后的剩余强度
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分类号ＴＢ３３２，ＴＢＩｌ４
文章编号
１００５—３０９３（２００４）０１—００２５—０９
Ｍｅｃｈａｎｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
ｄａｍａｇｅ
ｆｏｒ ｆｉｂｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ｃｈａｉｎｓ
ＱＩ Ｄｏｎｇｔａｏ
（１）
其巾Ｆ（ｏ）为外加应力，ｆ为伸长率（１≥１），ｑ（ｏ）和ｆ（ｏ）分别为初始状态下单位体积巾分子链的 克分子数和个数，Ｒ为气体常数．在疲劳过程中分子链之间的力学化学反应导致一部分分子主 链的断裂，经过ｎ个疲劳循环后，材料内部的初始分子链密度口（ｏ）（或ｆ（ｏ））变为ｑ（ｎ）（或｝（ｔｚ））． 在伸长率ｆ不变的情况＿Ｆ（应变摔制疲劳） Ｆ（ｎ）＝Ｖ（ｎ）胄ｙ１“ｚ。）＝ｆ（，ｚ）ⅣＴ（，，。２） 进而得到 Ｆ（ｎ）／Ｆ（ｏ）＝口（，｝）／ｑ（ｏ）＝∈（ｎ）／ｆ（ｏ） （３１３ ｆ２）
１．１．２分子链疲劳模型的数学描述设疲劳初期基体材料内单位体积内完好的分子主链数
为。。（ｏ），经过ｎ个疲劳循环后，材料内部单位体积内发生疲劳断裂的分子主链数为６ｍ（“），则
在每个疲劳循环中单位体积内增加的断裂分子链数量为
＿ｄｂｍ（ｎ）＝ｍ１【ｃＩＩ。（ｏ）６。（ｎ）】
ⅡｙＢ
（１０）
其中。。为基体分予｛链疲劳断裂系数，边界条件为ｎ＝０，６ｍ＝ｏ，移５分得 ｂｍ（ｒ１）＝ｃ。（ｏ）【ｌ～ｅｘｐ（一ｍ１７。）】
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图ｌ力学化学分子链疲劳模型的基本单元
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ａｄｄｒｅｓｓｅｄ，Ｔｅｌ：（０２９）２６６８９８０，
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１．１
１分子主链疲劳断裂非交联型弹’ｒｆ：高分子材料的疲劳过程中主要发生分子主链的断
裂，可以将这些分子丰链等效为‘系列其强度服从统计分布的小弹簧在高弹性材料发生人变 形时，分子链的相对位移比较大．以单位体积内的分子链为研究对象，当弹降材料受到外力作 ｊｕｊ时［７１ Ｆ（Ｏ）＝ｑ【ｏ）Ｒ州ｆ Ｊ“）＝，ｑＯ）ＫＴ（１一ｆ“）
ｃｇｔｕｓｉｒｌｇ
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万 方数据
１期
程光旭等：纤维增强聚合物皋复合捌料的疲劳损伤模型
２７
以后形成银纹，直至产生宏观裂纹
＋崮家自然科学基蛊１９９７２０５２资助项日 ２００３年１月２０日收到初稿，２００３年７月２８日收到修改稿 本史联系人：程光旭，敦授，凹安市７１００４９，西安空通大学环境与工程学院
万 方数据
—』！
一塑塑—生究
学鼻
１８卷
观裂纹的萌生与分子链的结构、聚集态！Ａ掏以及外力等条件宵关传统的疲劳损伤理论主要基 于应力、应变或能量等参赶的纯粹力学模型，忽略了化学效应这一重要因素，不能很好地揭示 诸如分子链断裂、界面开裂和基体微裂纹等局部损伤的物理本质，也不能准确地描述微观损伤 与宏观力学性能之间的定量关系．尽管已经宵人在这方面作厂一些研究，坦大部分丁作集中在
力学化学的高分子合成、破坏过程的老化、破裂时力学场的伴牛效应方面¨１因此，必须把化
学特｜生与力学行为结合起米，使损伤理论从纯粹的力学模型扩展到力学 化学模型． 力学一化学效应对聚合物基复台材料的疲劳性能有显著的影响■外力的作用使分子链结 构不ｌ司程度的活化，当这种力活化达到一定程度时，就会引起晶体结构的改变甚至引起分子链的 断裂，产生自ｒ｝】基．在这些自由基之间继续进行反应生成新的基团，减缓甚至终止裂解反应的进 行…Ｊ外力的加载方式对疲劳寿命也有显著的影响，与在连续疲劳条件７ｉ相比，材料在间歇疲劳 条件下的疲劳寿命长得多㈡其主要原因是疲劳加载所造成的分子链破坏可能在卸载后恢复， 从卸载到雨新加载的那一段时问也有利于材料内部耗散热能的释放，有利于材料疲劳寿命的延 长．因此，在疲劳过程中材料内部裂纹的萌生和扩展是一个存在热、力以及化学场等多场耦台的 复杂过程研究高分子材料在不同温度下的疲劳性能时，只有考虑了热力耦合的力学化学效应的 疲劳模型才能反映疲劳过程的实际情况．本文基于力学化学效应，从分子链微观角度，研究纤维 增强聚合物基复合材料疲劳的力学化学交互作用，建立一种新的力学～化学疲劳损伤模犁．