《CST》：单向纤维增强复合材料疲劳性能预测

导读

单向纤维增强复合材料是适用于主次承力结构件的经典材料体系，被广泛应用于航空航天领域，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、桥梁和风力发电等领域。在实际服役过程中，经常受到循环载荷的作用，因此设计合理的复合材料结构以提高其疲劳性能是业界的主要关注点之一。然而，复合材料的疲劳机制至今仍未被充分理解，增强抗疲劳性能的结构设计通常需要基于实际实验获得的宏观性能开展。为此，丹麦技术大学的Bent F. Sørensen（第一作者，通讯作者）及其团队在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Fatigue damage growth and fatigue life of unidirectional composites”的文章，开发了一种适用于预测单向纤维增强复合材料在循环载荷下疲劳损伤生长速率的微观力学模型，并研究了纤维、树脂基体和纤维/基体界面等参数对损伤生长速率和疲劳寿命的影响。

内容简介

对于单向纤维增强复合材料而言，早期的疲劳性能分析主要集中在失效模式分析层面：最大循环应力低于纯树脂基体的疲劳极限时，复合材料的预期疲劳寿命为无限长；最大循环应力适中时，纤维/基体的界面脱粘成为导致复合材料失效的主要破坏模式；较大循环应力下，主要破坏模式变成纤维断裂。随着研究的不断深入，业界学者逐渐意识到，摩擦界面相对滑移产生的剪切应力在循环往复过程中会逐渐降低，而且界面剥离产生的微裂纹尖端会导致附近纤维的断裂，基于上述研究，本文提出了一种适用于单向纤维增强复合材料的疲劳损伤增长速率和疲劳寿命预测的微观力学模型。

单向纤维复合材料体系中，该模型计算出的断裂纤维损伤区的疲劳损伤演化示意图如图1所示：假设疲劳损伤前沿是由于纤维束的连续断裂而产生的，则随着损伤前沿从左到右演化，纤维刚刚断裂时界面处的初始摩擦剪切应力和初始剥离长度这两个重要的边界条件会对后续损伤预测产生决定性作用。

图1　单向纤维复合材料的疲劳损伤演化示意图

如图2所示，随着循环摩擦载荷的不断作用，破坏界面处的粗糙度逐渐降低，导致摩擦剪切应力逐渐减小，剥离长度逐渐增大。图2a表示1号纤维首先发生断裂，其脱粘裂纹的K区立即沿着纤维/基体界面处延伸；图2b表示1号纤维引发的裂纹逐渐延长，在进行了N次循环后，继而导致2号纤维断裂；后续破坏模式与前文类似，在继续进行了N次循环后，2号纤维的破坏最终导致了3号纤维的失效，如图2c所示；相邻纤维之间断口的轴向距离标记为lb，如图2d所示。

(a) 1号纤维首先破坏	(b) 导致2号纤维失效
(c) 导致后续纤维失效	(d) 纤维断口示意图

图2　单向纤维复合材料的疲劳损伤机制示意图

图3展示了相邻纤维间损伤演化示意图，为了便于计算，将纤维排列方式简化为正六方堆积。如图3a所示，当某一纤维发生破坏时，纤维/基体界面脱粘形成的微裂纹主要影响最近的两根纤维，因而重点研究破坏纤维和相邻两根“半纤维”所组成的“晶胞结构”。显然，微裂纹产生的应力对其他区域产生的影响随着距离的延长而迅速减小，对于相邻的两根纤维而言，其表面与破坏纤维距离最近的约六分之一区域会受到显著影响。

图3　相邻纤维间损伤演化示意图

基于上述机理，成功建立了微观力学模型，并探讨了不同参数对疲劳损伤演化行为的影响。图4为不同摩擦剪切应力衰减系数下，最大外加应变对损伤增长速率的影响。

图4　摩擦剪切应力衰减系数的影响

图5为不同界面破坏能下，最大外加应变对损伤增长速率的影响。

图5　界面破坏能的影响

图6为不同初始摩擦剪切应力下，最大外加应变对损伤增长速率的影响。

图6　初始摩擦剪切应力的影响

文中成功开发了一种用于预测单向纤维增强复合材料在循环载荷下疲劳损伤生长速率的微观力学模型，并发现摩擦剪切应力衰减系数越大，界面破坏能越大，疲劳损伤增长速率越快，而初始摩擦剪切应力的增大可以显著降低疲劳损伤增长速率。

原始文献：iber reinforced composite fabricated by additive manufacturing." Composite Structures 2021,265: 113738.

Srensen B F, Goutianos S, Mikkelsen L P, et al. Fatigue damage growth and fatigue life of unidirectional composites[J]. Composites Science and Technology, 2021:108656.