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沈 阳 理 工 大 学 研 究 生 课 程 考 试 卷 评 分 课程名称： 疲劳设计与应用 年 级： 2011级 专 业： 机械设计及理论 考 号： 学 号： 1182000206 姓 名： 杜新成 阅 卷 人： 评语： 评阅人： 年 月 日 疲劳设计理论研究新进展基于累积损伤拉疲劳寿命预测 摘 要：复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷作用下的损伤形式主要是基体开裂、纤维拉断和分层，因此重点考虑这三种损伤的失效判据,并基于疲劳累积损伤理论，建立了应力分析中的有限元模型，和疲劳累积损伤过程中材料性能的退化方式。在ANSYS有限元软件平台上，利用参数化设计语言，开发编制复合材料层合板疲劳寿命预测程序，并对文献中复合材料层合板的拉-拉疲劳寿命进行预测，结果表明所建立的拉-拉疲劳寿命预测模型预测精度较好。 关键词：复合材料层合板，拉-拉疲劳寿命预测，有限元分析 1．引言 纤维增强聚合物基复合材料层合板在交变载荷作用下，呈现出非常复杂的破坏机理，可以发生遍及整个试样的四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂，这四种疲劳损伤及其任何组合均可导致复合材料疲劳强度和疲劳刚度的下降[1]。因此预测复合材料层合板疲劳寿命可以利用剩余强度、剩余刚度等宏观机械量唯象地表达损伤，结合应力分析和累积损伤方法估算疲劳寿命。复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷下主要出现基体开裂、纤维拉断和分层损伤，因此本文重点考虑了发生此三种损伤的疲劳失效判据，并基于疲劳累积损伤理论，建立了应力分析中的有限元模型，和疲劳累积损伤过程中材料性能的退化方式。在ANSYS有限元软件平台上，开发编制复合材料层合板拉-拉疲劳寿命预测程序，并对文献[2]中的T300/BMP层合板的拉-拉疲劳寿命进行预测。 2．拉-拉疲劳失效判定准则 为了能够在疲劳加载过程中对材料单元进行失效与否的判定， 可采用已被众多研究人员成功发展并较好应用于复合材料层合板静载或疲劳失效分析中的 Hashin 三维失效准则[3]：包括纤维拉断等多项疲劳失效判据。由于复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷作用下主要出现基体开裂、纤维拉断和分层损伤，因此重点考虑此三种损伤的疲劳失效判据： 纤维拉断时。 3．材料性能退化方式 复合材料层合板在循环应力作用下，随着循环次数的增加，内部损伤会逐渐累积，材料抗疲劳性能下降，材料的力学性能会有两种不同的退化方式：如果此时某单元应力分析的结果满足疲劳失效准则，则此单元发生相应的失效，材料性能就发生相应的突然退化；如果此时复合材料层合板没有任何单元发生失效，则材料性能就发生逐渐退化。 3.1 材料强度的退化方式 材料强度在进行 n次循环后将发生相应的逐渐退化， 并作为下一疲劳循环时进行疲劳失效判定的重要参数，可选择如下的退化模型[4]为在疲劳加载应力σ 和应力比R 下循环n次时的拉伸疲劳剩余强度； U σ 为初始静拉伸强度； fN 为疲劳寿命，可通过后面的等寿命模型计算得到； 2 a ， 2 b 为试验常数，可通过单层板的拉-拉疲劳剩余强度试验得到。 3.2 材料刚度的退化方式 3.2.1 刚度的突然退化方式 当复合材料层合板单元在某次疲劳循环时的应力满足疲劳失效判定准则中的某个判据时，就认为此单元发生了相应的损伤，单元的材料刚度将发生突然退化，可选取如下的突然退化方式[5]： （1）纤维拉断： 1 E ， 2 E ， 3 E ， 12 G ， 23 G ， 13 G ， 12 ν ， 23 ν ， 13 ν 发生退化，退化到初始值的0.07； （2）基体开裂： 2 E ， 12 G ， 23 G 发生退化，退化到初始值的 0.2； （3）分层： 3 E ， 13 G ， 23 G ， 13 ν ， 23 ν 发生退化，相应退化到 0。 另外，在程序计算中，为了不使刚度矩阵发生奇异， 1 E ， 2 E ， 3 E 退化后最小值不得小于 150； 12 G ， 23 G ， 13 G 不得小于1×105。 3.2.2 刚度的逐渐退化方式 对于没有发生破坏的单元，随着循环次数的增加，材料刚度将发生逐渐退化，可选择如下的退化模型[4] （5） 式中： (, , ) E nR σ 为在疲劳加载应力σ 和应力比R