基于场强理论的复合材料疲劳渐进退化机理研究

复合材料因为其优异的力学性能而被广泛应用于航空、航天、能源和交通领域。随着复合材料结构的制造能力和设计水平不断提高，复合材料结构中原先被静力覆盖的疲劳问题正逐渐暴露出来，疲劳失效已成为制约复合材料产品性能提升的重要因素。 本项目以复合材料单向板为研究对象，重点研究了疲劳载荷作用下单向板力学性能的渐进退化机理，获得了下列结果：1)揭示了3个材料方向的分配载荷对单向板疲劳破坏的作用规律，基于三者之间的内在关联性建立综合作用函数，对纤维和基体疲劳性能影响单向板疲劳性能的权重分配进行了量化描述；2)研究了单向板加载过程中载荷增量造成材料渐进破坏以及材料内部应力再分配的作用机制，并采用有限元数值分析方法对单向板的破坏过程进行了仿真模拟；3)建立了考虑载荷及铺角影响的单向板刚度渐进退化模型；4)建立了基于纵、横向单向板疲劳寿命预测任意单向板疲劳寿命的计算方法；5)进行了7种T700/YPX3001单向板的系列静力、疲劳试验。本项目的研究工作为分析复合材料工程结构的疲劳问题进行了理论和技术储备。 2100433B

随着人们对复合材料产品的安全性、耐用性、可靠性及经济性的要求不断提高，复合材料结构的疲劳问题将逐渐暴露出来，成为制约产品性能提高的一项重要因素。本项目基于场强理论的分析方法对复合材料疲劳渐进退化机理进行研究，主要内容：1)分析单向板内局部损伤区域产生的不可逆结构变形是材料发生疲劳破坏的根源，单向板的力学性能衰减是其宏观表现形式，再结合场强理论的损伤区域分析方法，研究定义单向板疲劳破坏的损伤区域、破坏函数和权函数，建立描述单向板疲劳渐进退化规律的模型；2)基于场强理论所建立单向板疲劳渐进退化模型，采用有限元数值分析方法对单向板的疲劳失效过程进行模拟，并结合纵、横向板的疲劳寿命发展一种预测任意铺角单向板疲劳寿命的方法。通过本项目的研究，期望在理论上揭示复合材料单向板的定量疲劳破坏规律，在应用上发展预测复合材料结构疲劳寿命和力学性能衰减的方法。

对有代表性、用途广泛的8种国产钛合金进行多种条件下的疲劳试验，并用扫描电镜和透射电镜分析断口形貌和组织结构，把宏观性能和微观机理结合起来，提出钛合金疲劳损伤和寿命预测的理论模型。除了金属疲劳过程的一般规律外，工业纯钛和钛合金中的α相因具有六方晶体结构而其自身特点，即在循环变形中有孪晶形成，且常伴随有微裂纹，这是钛合金疲劳损伤和性能退化的重要机理。此外，在热循环中也有孪晶形成。但孪晶也有积极的作用。工业纯钛和某些α钛合金在低温直至液氮温度，不仅强度提高，其塑性也提高，我们称之为“孪生诱导塑性”。理论和实验证明：加入能降低α相中层错能的合金元素，就能获得轻质、高强、高韧、低温疲劳性能好的钛合金。 2100433B