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研究背景
复合材料具有高比强度、比刚度和性能可设计等特点，是飞机、直升机、火箭、导弹等飞行器结构的理想材料，也是当今新材料研究和发展的重点。在A400M运输机上，碳纤维复合材料占机翼结构质量高达85%，开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。空客直升机公司在2015年国际直升机博览会上发布的H160，是世界上第一架全复合材料民用直升机。飞机和直升机复合材料结构在服役期间不仅须要承受反复作用的疲劳载荷，而且可能遭遇湿热等恶劣环境情况。调查结果显示，飞机结构失效大多数是由疲劳破坏引起的。
干态常温环境下复合材料疲劳性能已有很多学者进行了研究，但湿态环境下复合材料的疲劳性能研究较少。随着复合材料应用越来越广泛，复合材料结构一定要在湿、热等环境下长期工作。吸湿后，树脂的性能严重退化。同时，水分子进入纤维-基体界面，破坏两者之间的化学键，导致疲劳寿命的降低。因此，对湿、热以及湿热混合环境下复合材料的疲劳性能进行研究十分必要。
本工作就湿态环境对碳纤维复合材料正交层合板的疲劳性能进行了研究，测试了常温下湿态和干态正交层合板的拉伸疲劳性能，分析了饱和吸湿对正交层合板拉伸疲劳性能的影响。在此基础上，基于ABAQUS有限元软件建立了吸湿后正交层合板疲劳性能分析有限元模型，对疲劳寿命和损伤机理进行预估与研究。此研究可以为下一步正交层合板湿热疲劳性能研究奠定基础，同时可以为碳纤维复合材料结构疲劳寿命吸湿折减系数的确定提供依据。
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结果展示
碳纤维复合材料正交层合板拉伸疲劳试验件的尺寸参考ASTM D3039，ASTM D3479设计。实验环境包括常温干态（RTD）和常温湿态（RTW）2种。层合板的铺层顺序为[(0/90)]8。
首先进行了吸湿实验，然后进行了静力实验和疲劳实验。吸湿实验参考ASTM D5229方法进行，在70 ℃纯净水浸泡条件下使实验件达到饱和吸湿状态。静力实验参考ASTM D3039方法进行。RTD和RTW环境下分别取3根试件进行静力拉伸实验。
疲劳实验旨在测量RTD和RTW环境条件下试件长寿命（106疲劳循环数以上）的疲劳性能，进而分析饱和吸湿对试件疲劳性能的影响。疲劳实验同样在Instron8801试验机上进行，采用正弦波的加载方式。确定实验加载频率为6 Hz。根据用该材料所制造结构的受载情况，确定疲劳实验应力比选为0.0526。实验的失效判据为试件拉断或试件动刚度下降了10%。动刚度定义为一个加载循环内载荷幅值与夹头位移幅值之比。
静力实验发现，RTD环境下层合板的拉伸强度为679.58 MPa，而RTW环境下的拉伸强度为650.32 MPa，强度下降了4.4%。RTD和RTW环境下正交层合板拉伸模量相同，均为54.3 GPa。与RTD相比，RTW使正交层合板的泊松比增加了32.4%。可见，饱和吸湿对层合板的拉伸强度和刚度基本没有影响，但对泊松比的影响较大。
疲劳实验发现，RTD和RTW环境下的疲劳实验结果如图1所示。由图1可知，RTW的S-N曲线在RTD的S-N曲线下方，即相同疲劳循环数下RTW环境下的疲劳最大应力小于RTD环境下的疲劳最大应力。选取疲劳寿命为106的线性拟合结果进行对比。RTW环境下的疲劳强度为497 MPa，相比RTD环境下的疲劳强度578 MPa，下降了14%，远高于拉伸强度下降的4.4%。此外，随着疲劳循环数的逐渐增加，RTW相比于RTD环境下疲劳最大应力下降的速度更快。因此，湿环境下碳纤维复合材料正交层合板的疲劳性能相比干态环境下疲劳性能显著降低。
图1 RTD和RTW环境下正交层合板疲劳S-N曲线
RTD和RTW环境下层合板的疲劳破坏模式如图2，图3所示，图3(a)，(b)为厚度方向损伤形貌。由图2(a)和图3(a)可知，RTD环境下层合板疲劳断口处出现了纤维断裂损伤，基体开裂损伤和分层损伤，其中纤维断裂损伤为主，分层损伤发生在多处，但无大面积分层现象，所以局部厚度变化较大。由图2(b)和图3(b)可知，RTW环境下层合板疲劳断口处以纤维断裂损伤为主，同时在靠近层合板表面处出现了分层损伤，而非整个厚度。
图2 RTD(a)和RTW(b)环境下正交层合板疲劳破坏模式
图3 RTD(a)和RTW(b)环境下正交层合板厚度方向损伤形貌
数值模拟发现，RTD和RTW环境下85%应力水平下面内和厚度方向纤维断裂损伤演化如图4和图5所示。由图示结果可见，RTD环境下纤维断裂损伤起始于固支段和工作段的过渡处，之后向厚度方向和工作段中间区域扩展，直至出现横截面纤维断裂损伤。RTW环境下纤维断裂损伤起始于固支段和工作段的过渡处，之后主要向厚度方向进行扩展，直至出现横截面纤维断裂损伤。RTD环境下，纤维断裂损伤区域宽，损伤范围大，而RTW环境下，纤维断裂损伤区域窄，损伤范围小。这些现象与实验结果一致，进一步说明了有限元模型的有效性。
综上所述，RTD和RTW环境下层合板纤维断裂损伤的扩展路径为：固支段和工作段的过渡处—沿着厚度和工作段中间方向扩展—横截面纤维断裂损伤。RTD环境下层合板的损伤主要沿着厚度方向和工作段中间区域进行扩展，损伤区域宽，损伤范围大。RTW环境下层合板的损伤主要沿着厚度方向进行扩展，损伤区域窄，损伤范围小。
图4 RTD环境下面内和厚度方向纤维断裂损伤演化
图5 RTW环境下面内和厚度方向纤维断裂损伤演化
原文出处：
吸湿后碳纤维复合材料正交层板拉伸疲劳性能（点击“题目”可链接全文）
张祥林, 孟庆春, 许名瑞, 曾本银, 程小全, 孙炜
2021, 49 (8): 169-177.
DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000662
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