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摘要：文章提出了一種考慮疲勞和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型，適用于高溫循環(huán)載荷下的碳纖維增強復(fù)合材料。該模型考慮了溫度對蠕變損傷的影響、不同高溫循環(huán)載荷條件下蠕變損傷的變化以及疲勞-蠕變交互損傷。此外，為了準確描述不同取向的單向?qū)訅喊宓娜渥冃袨椋€分析了單向?qū)訅喊宓膿p傷機理。不同溫度下的蠕變和疲勞試驗結(jié)果表明，所提出的蠕變斷裂時間模型和考慮損傷機理的疲勞-蠕變損傷模型能夠成功地預(yù)測高溫下單向?qū)訅喊宓娜渥兒推趬勖?，預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。

一、引言

碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、燃氣輪機等領(lǐng)域。然而，在高溫環(huán)境下，CFRP 會經(jīng)歷疲勞和蠕變損傷，這對其使用壽命造成嚴重影響。因此，建立能夠準確預(yù)測 CFRP 在高溫循環(huán)載荷下壽命的模型至關(guān)重要。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種預(yù)測 CFRP 蠕變斷裂時間和疲勞壽命的方法，但大多數(shù)模型沒有充分考慮溫度對損傷機制的影響，以及疲勞損傷和蠕變損傷之間的相互作用。

近日，《Composites Science and Technology》期刊發(fā)表了一篇由北京工業(yè)大學和沈陽飛機設(shè)計研究所、國家納米科學中心的研究團隊完成的有關(guān)高溫循環(huán)載荷下碳纖維增強復(fù)合材料的疲勞-蠕變損傷模型的研究成果。該研究提出了一種考慮疲勞和蠕變損傷相互作用的高溫循環(huán)載荷下碳纖維增強復(fù)合材料的疲勞-蠕變損傷模型，并驗證了其在預(yù)測高溫下單向?qū)雍习鍓勖矫娴挠行?。論文標題為“Fatigue-creep damage model for carbon fibre reinforced composites under high temperature cyclic loading”。

二、內(nèi)容簡介

研究主要針對不同纖維取向的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板，在室溫和高溫下的拉伸和蠕變行為進行了深入研究。通過建立考慮不同損傷模式（纖維主導(dǎo)型和基體主導(dǎo)型）的力學性能退化模型，以及基于歸一化蠕變應(yīng)力的蠕變斷裂時間預(yù)測模型，消除了纖維取向?qū)θ渥償嗔褟姸鹊挠绊?。最終，建立了考慮疲勞損傷和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型，實現(xiàn)了對任意取向的單向?qū)雍习逶诟邷貜?fù)雜載荷下壽命的有效預(yù)測。

研究通過進行不同溫度下單向?qū)雍习宓睦?、疲勞和蠕變試驗，獲得了相關(guān)的力學性能數(shù)據(jù)。基于試驗數(shù)據(jù)，建立了考慮不同損傷模式的力學性能退化模型和蠕變斷裂時間預(yù)測模型。采用線性損傷累積和非線性損傷累積方法，建立了考慮疲勞損傷和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型。最后，通過試驗數(shù)據(jù)驗證了所提出的模型的準確性。

圖1  單向?qū)訅喊迨疽鈭D。

圖2  單向?qū)訅喊謇煸嚇拥膸缀涡螤睢?/span>

圖3  單向?qū)訅喊宓暮暧^破壞形式：a）0?；b） 15?；c） 45?；d） 90?。

研究結(jié)果表明，溫度對不同損傷模式的單向?qū)雍习逍阅艿挠绊懘嬖诓町悾w維主導(dǎo)型和基體主導(dǎo)型的性能退化模型可以有效地預(yù)測不同取向的單向?qū)雍习逶诟邷叵碌撵o態(tài)強度。歸一化蠕變應(yīng)力可以消除纖維取向?qū)θ渥償嗔褟姸鹊挠绊懀岢龅娜渥償嗔褧r間預(yù)測模型可以成功地預(yù)測高溫下單向?qū)雍习宓娜渥償嗔褧r間。此外，考慮疲勞損傷和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型可以合理地預(yù)測任意取向的單向?qū)雍习逶诟邷貜?fù)雜載荷下的壽命，預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好。

圖4  蠕變損傷計算細分方法示意圖。

圖5  單向?qū)訅喊逶?00℃下蠕變斷裂時間的預(yù)測結(jié)果。

原始文獻：

Guo, Y., Shang, D., Zuo, L., Qu, L., & Chen, C. (2024). Fatigue-creep damage model for carbon fibre reinforced composites under high temperature cyclic loading. Composites Science and Technology, 258, 110909.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110909