结构疲劳损伤损伤模型

有关复合材料的疲劳损伤模型大致可以分为三类：第一类模型不考虑实际的性能劣化机理，使用S－N 曲线或类似的图，提供若干疲劳破坏准则；第二类是剩余刚度或剩余强度的表象模型；第三类是损伤发展模型，使用一个或多个可测的能衡量损伤情况的变量。2100433B

所谓结构疲劳损伤，是指由于重复荷载作用而引起的结构材料性能衰减的过程，也就是通常所说的疲劳裂纹的发生、发展、形成宏观裂纹、发生破坏的全过程。疲劳损伤与普通损伤的最大区别在于随着荷载循环次数的增加，疲劳中的损伤存在一个累积的过程。

疲劳损伤(Fatigue Damage，FD)是由于循环载荷引起的裂纹起始及其持续扩展，这种损伤是一个累积的过程。

以飞机为例，与飞机的使用情况(飞行小时或起落次数)有关。必须制订一个检查要求，以保证在由于某种疲劳损伤造成任何飞机的剩余强度低于允许水平之前，提供探测疲劳损伤的最大可能性。

疲劳损伤评定应考虑：

(1)适用的剩余强度，包括多部位疲劳损伤的影响。

(2)适用的裂纹扩展率，包括多部位或多元件疲劳损伤的影响。

(3)与疲劳损伤扩展间隔相关的损伤检测期。疲劳损伤扩展间隔是从首次检测时间(门槛值)到所规定极限尺寸(临界的)之间的间隔。损伤检测期随着所应用的检查方法及检测概率而变化，并受结构部件或工艺的影响(如密封胶遮盖住损伤部位)。

(4)检查方法的检测标准。

(5)适用的检查等级和方法(如目视、无损检测)，方位(如外部、内部检查)及重复检查问隔。

疲劳是零件由于循环载荷引起的局部损伤的过程，是一个由包括零件裂纹萌生、扩展和最终断裂等组成的累积过程所导致产生的综合结果。在循环加载期间，在最高应力区域发生局部塑性变形，这种塑性变形引起零件的永久损伤和裂纹扩展。随着零件所承受的加载循环次数不断增加，裂纹长度(损伤)随之增加。在达到一定循环次数之后，裂纹将导致零件失效(断裂)。

通常，疲劳过程可以观察到裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和最终断裂四阶段。

裂纹在接近高应力集中的局部剪切面上开裂，如稳定滑移带、夹杂物、疏松或晶粒不连续分布等，局部剪切面通常发生在晶粒表面或边界之内。在这一阶段，裂纹成核是疲劳过程的第一步。一旦裂纹成核并且持续施加循环载荷，裂纹就会沿着最大切应力面并通过晶粒边界扩展。

在工程应用中，将零件在裂纹成核和微观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹萌生阶段，而将零件在宏观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹扩展阶段。通常，对从萌生到扩展的过渡阶段无法做出精确的定义。钢制零件的裂纹萌生阶段一般占其疲劳寿命的大部分，特别是在高周疲劳状态下(约大于10000次循环)。在低周疲劳状态下(约小于10000次循环)，疲劳寿命的大部分时间耗费在裂纹扩展。

一旦裂纹形成或者发生完全失效，就可以检查到疲劳失效的表面。弯曲或轴向疲劳失效通常会留下蛤壳状或海滩状斑纹，这些斑纹的名称源自断裂表面的形貌特征。裂纹成核区域位于壳的中央，裂纹像是从裂纹成核所在区域扩展开来的样子，通常呈辐射状，留下一个半椭圆形的图案。在某些情况下，通过检测裂纹部位所遗留海滩斑纹的尺寸和位置，可以识别裂纹扩展开始或者结束的不同阶段。海滩斑纹的线条呈条纹状与树干横断面的年轮线相似。这些条纹状呈现出在一个加载循环期间裂纹扩展的范围。与树类似，树每年长一圈，而疲劳损伤则在每个加载循环产生一个圈。在发生疲劳失效时，会出现一个最终的剪切裂痕，这是材料在失效之前对载荷的最后一点支撑。切变裂痕的尺寸取决于加载的类型、材料和其他条件。

损伤容限分析包括剩余强度分析和损伤增长分析。剩余强度分析方法，迄今只有含各种缺陷试样的拉伸剩余强度和含穿透缺陷的厚试样(破坏前不失稳)的压缩剩余强度工程估算方法。含其他缺陷(例如以分层为主要特征的冲击损伤)试样的压缩剩余强度估算，可用基于层间应变能释放率的“分层断裂力学”来解决，但这种方法仍处在研究阶段。而对损伤增长速率的分析，至今仍没有可靠的方法。因此，对这些问题，主要是借助多层次的试验加以解决。

分析中通常采用的简化原则包括以下两点。

①所有分层简化为直径与实际缺陷最大长度尺寸相当的圆形分层；

②至少有一层纤维断裂的各种缺陷/损伤，简化为直径与实际缺陷/损伤面内最大长度尺寸相当的圆孔。

复合材料结构为了摆脱冲击所带来的威胁，以冲击压缩破坏曲线的门槛值为基础确定其设计许用应变。其结果是不得不把复合材料结构的工作应变限制在很低的水平上，使复合材料的潜力无法得到发挥。实际上，虽然复合材料结构在制造和使用过程中遇到外来物冲击是不可避免的，但终究这种冲击是局部的。不应该为保证这一局部的强度而限制所有未受冲击的结构部位的工作应变，因为这显然是不合理的，也是过于保守的。当然，问题

出在遭受冲击的部位的随机性和不确定性上。为了提高设计许用应变，一个很有希望的途径是，在确定设计许用应变值时暂不考虑冲击这个因素，而把冲击损伤直接引人到结构中去设计复合材料结构。然后，考虑到遭受冲击的部位的随机性，把冲击损伤引入到结构中的最危险部位，这对设计是偏安全的。这样就把冲击影响限制在局部范围内，使复合材料结构可以在整体上大大提高其工作应变，这必将大幅度减轻结构重量。

鉴于复合材料结构的分析方法还不够成熟，分析的精度还不能令人满意，因此，复合材料结构的完整性验证显得尤为重要。