单位代码 10006 学 号 分类号 密 级 公 开
疲劳强度期中作业
(译文)
弯曲/扭转载荷下
管状碳纤维复合材料的疲劳强度
院（系）名称 专姓学
航空科学与工程学院 飞行器设计与工程
XXX
XXXXXXXXXXX
业名称 名 号
2014年11月
疲劳强度期中作业(译文)
第 I 页
弯曲/扭转载荷下管状碳纤维复合材料的疲劳强度
C. Capelaa,b ,J.A.M. Ferreiraa,c ,T. Febrab ,J.D. Costaa,c
a CEMUC, Universidade de Coimbra, Rua Luis Reis Santos, 3030-788 Coimbra, Portugal
b Department of Mechanical Engineering, ESTG, Polytechnic Institute of Leiria, Morro do Lena – Alto Vieiro, 2400-901 Leiria, Portugal
c Department of Mechanical Engineering, Universidade de Coimbra, Rua Luís Reis Santos, 3030-788 Coimbra, Portugal
摘要
碳纤维增强树脂基复合材料已经大量用于经常受到双轴疲劳载荷的结构，本文主要研究了管状碳纤维复合材料在阶段性双轴弯曲/扭转动态载荷下的疲劳特性。特别是，本文分析了扭转应力和平均应力对疲劳强度和失效机制的影响。随着弯曲/扭转应力比的增加，疲劳强度大幅下降，同时损伤加快。在施加扭转载荷的情况下，平均应力对疲劳强度的影响可以很好的近似为二次方程。
关键词：双轴疲劳、碳纤维、疲劳试验、管状结构
疲劳强度期中作业(译文)
第 1 页
介绍
碳纤维增强树脂基(CFRPs)复合材料可以显著减小重量，从而相应的节约燃料，已广泛用于机动车辆、飞机、高铁的结构和组件。在很多情况下，这些结构组件受到复杂的疲劳载荷作用，其幅值、应力比(R)，循环应力波形不断变化，同时伴随着弯曲/双轴扭转载荷的共同作用。
已有的文献报告大多研究了复合材料，即通过纤维编制缠绕形成的碳/环氧树脂管状试样在双轴载荷作用下的失效[1,2]，准各向同性铺放[3]和叠层模塑技术[4]。Amijima等人
[5]
研究了通过湿法缠绕工艺制造的平纹编织玻璃/环氧树脂层压板的双轴失效，确定了主
要的失效机制：纤维断裂、纤维拔出、基体开裂以及由界面拉伸和剪切失效导致的分层破坏[6]，对于由[0°/90°]s和[±45°]s编织纱组成的石墨/环氧树脂薄壁管，通过试验可以观察到第一层的失效机制主要是基体剪切破坏和基体拉伸破坏[7]。
Ferry等人[8]研究了单向玻璃纤维/环氧树脂条在弯曲和扭转载荷共同作用下的疲劳破坏，发现破坏过程由纤维失效、分层和基体开裂引起。这些作者得出了结论：疲劳破坏是由几个复杂的过程引起的，它取决于弯曲/扭转应力比和最大/最小应力比的共同作用。一个广泛用于模拟疲劳失效的方法是对刚度变化进行量化，通常考虑材料弹性模量而不是疲劳循环次数。在很多情况下发现，经过第一个循环周期后，刚度下降显著；而紧接着的第二个较长的时间内刚度下降很小。在这一阶段出现纤维断裂和基体微裂纹，随后，层压板发生分层而分离，导致材料快速破裂同时刚度急剧下降[9]。
El-Assal 和 Khashaba[10]研究了单向玻璃纤维增强树脂(GFRP)复合材料的疲劳特性，结果发现在扭转/弯曲载荷同步作用下，扭转疲劳强度远低于纯弯曲载荷下的疲劳强度，并且在扭转/弯曲载荷同步作用下疲劳极限仅为纯弯曲载荷下的疲劳强度的一半。Fawaz 和 Ellyin[11,12]提出了一种用于寿命预测的多轴模型，它是基于参考疲劳曲线的修正来解释实际载荷比和多轴载荷条件。Quaresimin等人[13]重新分析了文献中一些有效的多轴疲劳数据来验证利用Fawaz–Ellyin 方法以及多项式函数标准进行寿命预测的准确性。最近，Quaresimin和Carraro[14]研究了单向复合材料圆管的双轴疲劳特性，圆管由玻璃/环氧铺层做成，纤维取向相对于圆管轴向呈90°，在弯曲—扭转载荷的共同作用下进行试验，结果发现疲劳试验中的损伤演化没有出现一个可衡量的稳定增长，沿管周
疲劳强度期中作业(译文)
第 2 页
上的横向裂纹传播不稳定，从而导致试样经过很少的几个循环周期后完全分离。由于这种特性，轴向和扭转刚度在最终的失效中仅表现为突然的下降。Quaresimin和Carraro[15]在弯曲/扭转载荷共同作用的条件下采用具有不同铺层([90n],[0F/90U,3]和[0F/90U,3/0F])的三种圆管试样进一步试验研究，结果表明，剪应力的出现极大地减小了横向裂纹萌生的所用时间，对于一个给定值的横向应力，[0F/90U,3/0F]圆管的裂纹成核阻力比[90U,4]圆管的略高。Quaresimin等人[16]通过测量在弯曲—扭转载荷作用条件下的圆管，比较了层压板中疲劳破坏的演化。相较于由外部多轴载荷在圆管引起的应力，通过使用已经设计好的叠加铺层可以得出局部的多轴应力状态。这些作者发现在单向循环载荷作用下多向层压板的疲劳破坏演化与圆管在外部多轴（拉伸——扭转）载荷作用下的演化规律基本相同。Schmidt[17]等人通过使用非破坏性的方法分析了玻璃纤维缠绕试样在双轴疲劳载荷作用下的破坏延展，结果表明试样最终失效的萌生是由局部纤维纹路导致的。
在几篇文献研究中都提到复合材料的疲劳特性很大程度上取决于应力比R[18—21]，El-Kadi 和 Ellyin[19]观察到，在拉伸——拉伸载荷下对于一个给定的最大应力，疲劳寿命随着应力比R的增加而增加；在压缩——压缩载荷下，应力比R的增加减小了复合材料的疲劳寿命。Rosenfeld和Huang[20]研究了应力比R=0，- ∞和-1时的压缩载荷对石墨/环氧树脂层压板疲劳特性的影响，他们得出结论：当R= -∞和R=-1时出现非常大的疲劳寿命减小，高于R=0时的情况。Petermann和Schulte[21]对±45°铺层的碳/环氧树脂层压板在拉伸——拉伸疲劳载荷下进行试验，发现蠕变效应很大程度取决于应力比R。
平均应力对材料疲劳寿命的影响经常使用包络分析，称为“应力幅值——平均应力图”，在给定的疲劳寿命下应力幅值(σa)是平均应力(σm)的函数。Abd Allah等人[22]利用这种方法证明采用Peterson方程[23]得到的σa的预估值与实验值吻合得很好。并且Boller[24]和Crowther[25]等人认为对于0°和±15°的层压板和三明治层合板，Goodman方程不能很好的吻合平均应力的影响。Mallick和Zhou[26]针对短无碱玻璃纤维增强聚酰胺6.6，Reis等人[27]针对平衡的双向编织碳纤维/环氧复合材料层压板，得出的结论是平均应力对疲劳强度的影响可以通过修饰二次方程来描述。
本工作的目的是为了获得在弯曲、扭转和弯曲/扭转同步载荷下不同应力比R时的管状碳纤维复合材料的疲劳实验设计曲线，分析实际模型对疲劳寿命预测的有效性以及在这个特殊的复杂的层压板系统中平均应力的影响。
疲劳强度期中作业(译文)
第 3 页
材料与方法
本工作的目的是研究由编织平衡双轴碳纤维增强环氧树脂基制造的管状试件的疲劳特性。制造和测试用的薄壁管状试样其中一束纤维与圆管轴线呈90°，其它的交叉于0°。环氧树脂为SR1500，由双酚A和F配制，并将其与硬化剂SD2503合并，二者分别由Sicomin, Marseille, France提供。该环氧树脂系统具有良好的防水性和粘接性能，在造船和航空业中普遍使用。碳纤维编织物（196g/m3）由Rebelco, Portugal生产，使用日本东丽公司生产的碳纤维HS 3K。
管状试样由4层通过使用硬质聚氨酯模具和成型压力元件形成的碳布制成，如图1所示，固化过程是在温度为20℃的真空袋放置8小时。后固化周期如下：在20℃中放置24小时然后在40℃中放置24小时。试样的几何形状和尺寸如图2(a)所示，这种制造过程对于厚度的均匀性尚未证明特别有效，加工制造后通过在12点上对厚度进行控制，发现每个试样的标准偏差量在0.06mm至0.12mm之间。