玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳行为研究

论文摘要

玻璃纤维增强树脂基复合材料在航空、汽车、船舶以及民用工业都得到了广泛应用,虽然玻璃纤维增强树脂基复合材料的疲劳现象无处不在,但现在还没有办法从疲劳现象出发对其疲劳本质作出恰如其分描述,同时也没有对其进行疲劳寿命分析的通用方法。本文对玻璃纤维增强复合材料的疲劳行为进行了系统的实验和理论研究。论文首先回顾了纤维增强复合材料疲劳行为研究领域已经取得的研究成果,并对这些成果进行了分析和论述,通过实验数据的计算比较,给出了各种分析模型的适应性和解决实际问题的符合程度。论文完成了6种层合板162个有效的玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板试验件的测试,其中50个试件用于静强度测试,112个试件用于疲劳性能测试。获得了比较系统的玻璃纤维增强复合材料层合板的疲劳性能数据。给出了同种试件在不同的加载比下的刚度降曲线,以及不同种类试件在相同加载比下的刚度降曲线,并从材料内部微观损伤扩展机理的角度解释了刚度随损伤单调下降原因。在疲劳试验的基础上对玻璃纤维增强复合材料层合板的疲劳行为开展了理论研究:给出了定义玻璃纤维增强复合材料层合板在轴向应力作用下的状态函数,提出了一个由0°和90°单向板的S—N曲线来获得任意偏角层合板的S—N曲线的疲劳寿命模型;基于玻璃纤维增强复合材料层合板的疲劳破坏机理,提出了一个由0°和90°单向板的S—N曲线来获得任意铺层层合板S—N曲线的模型;提出了一个描述层合板刚度退化的模型,该模型可以很好地描述玻璃纤维增强复合材料层合板的刚度退化规律。研究结果表明:论文中提出的理论分析模型和实验结果吻合的很好。本文所获得的实验结果可直接用于玻璃纤维增强树脂基复合材料结构的设计,所提出的理论分析模型可用于任意铺层的玻璃纤维增强复合材料层合板结构的分析计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究工作的目的、意义范围
• 1.3 国内外进展情况、相关领域的前人工作和存在问题
• 1.4 研究方案与拟解决的关键问题
• 1.5 研究的主要工作
• 第二章 纤维增强复合材料疲劳行为回顾
• 2.1 复合材料的疲劳损伤
• 2.1.1 损伤的定义
• 2.1.2 损伤的扩展
• 2.2 循环载荷作用下的力学行为
• 2.2.1 FRP 的瞬态行为
• 2.2.2 剩余强度理论
• 2.2.3 剩余刚度理论
• 2.3 复合材料的疲劳寿命行为
• 2.3.1 FRP 的疲劳寿命图
• 2.3.2 单向板的S—N 曲线或ε—N 曲线
• 2.4 累积损伤理论与寿命预测
• 2.4.1 累积损伤理论
• 2.4.2 各模型之间的比较
• 2.5 小结
• 第三章 玻璃纤维层合板单轴拉伸疲劳试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验件
• 3.2.1 试验件选材和设计
• 3.2.2 试验件的制备
• 3.3 试验方法和结果
• 3.3.1 层合板静强度试验结果
• 3.3.2 层合板疲劳试验结果
• 3.4 小结
• 第四章 玻璃纤维层合板疲劳行为
• 4.1 疲劳寿命曲线
• 4.1.1 疲劳寿命曲线分析
• 4.1.2 疲劳机理分析
• 4.2 玻璃纤维单向板疲劳寿命预测模型
• 4.2.1 单向板寿命预测模型
• 4.2.2 模型验证
• 4.3 复合材料疲劳载荷作用下的刚度退化
• 4.3.1 复合材料层合板剩余刚度研究方法
• 4.3.2 玻璃纤维增强复合材料层压板刚度退化试验
• 4.3.3 GFRP 的剩余刚度
• 4.4 小结
• 第五章 复合材料层合板疲劳寿命模型
• 5.1 层合板疲劳寿命分析基础
• 5.2 层合板疲劳寿命的经验模型
• 5.3 模型验证
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文