圖 : ?: ?@三種類型復(fù)合材料同一沖擊能量水平?jīng)_擊損傷面積比圖 : ?: ?-@三種類型復(fù)合材料沖擊后較壓縮破壞應(yīng)變比較
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第四節(jié) 層合板疲勞特性
確定和評價復(fù)合材料在交變載荷作用下的性能（損傷與破壞等）是復(fù)合材料工程應(yīng)用，特別是在航宇方面應(yīng)用必須考慮的問題。大量研究結(jié)果表明，復(fù)合材料具有優(yōu)異的疲勞性能。
一、復(fù)合材料疲勞行為特點
各向同性金屬材料在疲勞載荷作用下，可以觀察到明顯的單一主裂紋有規(guī)律的擴展。而各向異性復(fù)合材料，大量試驗結(jié)果表明，疲勞載荷作用下，表現(xiàn)出非常復(fù)雜的破壞機理。
復(fù)合材料本身存在有基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂等多種損傷形式。同時，復(fù)合材料對應(yīng)變，特別是壓縮應(yīng)變，尤為敏感。較大的施加應(yīng)變將使纖維與基體變形不一致，引起基體開裂、界面脫膠乃至分層，形成疲勞源。壓縮應(yīng)變將使復(fù)合材料出現(xiàn)縱向開裂或失穩(wěn)現(xiàn)象，促使分層迅速擴展。復(fù)合材料層合板在疲勞載荷的作用下，上述損傷形式相繼交錯出現(xiàn)，并按擇優(yōu)方向擴展遍及整個試樣。具體損傷出現(xiàn)的形式和程度，與材料性能、層合板的鋪層順序，以及疲勞加載類型等因素密切相關(guān)。復(fù)合材料與金屬材料疲勞損傷增長之間的差異可以用圖形簡略地描述。雖然復(fù)合材料的初始缺陷比金屬材料大，然而多種損傷形式和增強纖維的牽制作用使復(fù)合材料疲勞行為呈現(xiàn)出很好的斷裂韌性和低的缺口敏感性，因而有較大的臨界損傷尺寸。
復(fù)合材料疲勞應(yīng)力一壽命曲線（ "—）曲線平坦，疲勞門檻值高。但是，壽命分散性大，而且一般僅有條件疲勞極限。同時，復(fù)合材料疲勞性能和其靜強度性能一樣，易受環(huán)境（濕 熱）、沖擊損傷等影響。
二、疲勞損傷機理與疲勞壽命圖
這里介紹拉伸疲勞損傷機理與疲勞壽命圖。
單向復(fù)合材料正軸拉伸疲勞時，基體內(nèi)首先形成分散的橫向裂紋，而后在纖維斷裂處形成局部的裂紋擴展、界面脫膠。由于纖維損傷引起的基體裂紋增長，和基體裂紋擴展造成的纖維橋接，以及它們的組合情況。
三、復(fù)合材料疲勞特性
復(fù)合材料疲勞特性以應(yīng)力 %壽命（ "%）關(guān)系式給出，目前常用的 "%曲線擬合方程為
&"’ () •+**•
" %"& "’ ()
式中： 和 %均為材料常數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果，用最小二乘法估算。
復(fù)合材料疲勞特性主要影響因素是壓縮應(yīng)變和高應(yīng)變（高應(yīng)力）水平。因此，復(fù)合材料疲勞性能測試多進行壓一壓（ * ()）和拉一壓（ *( +）的疲勞試驗，而金屬材料一般進行 * (),的拉一拉疲勞試驗。
平均應(yīng)力對 -.*/［) 0 12 0 3) 0 —12］ 疲勞強度的影響［) 0 12 0 3) 0 —12］ 層合板拉
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伸和壓縮強度相等，其等壽命曲線基本上與 *( +軸（零平均應(yīng)力軸）對稱，略偏向拉伸一側(cè)。這說明，平均應(yīng)力的影響是可以忽略的，或者說與拉一拉、拉一壓和壓一壓加載方式無關(guān)。而［)0 67)］5層合板拉伸強度比壓縮強度大一倍，其等壽命曲線峰值整體向拉伸方向偏移。這說明平均應(yīng)力對［)0 67)］ 層合板疲勞壽命有顯著影響。
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帶切口（圓孔、裂紋）試樣疲勞數(shù)據(jù)表明：大多數(shù)復(fù)合材料層合板在整個壽命期內(nèi)，有切口試樣的 &—’曲線幾乎與無切口試樣的相同，切口效應(yīng)幾乎不存在。交變載荷作用下，切口邊緣的損傷緩和了切口尖端附近的 ,應(yīng)力集中。因而，復(fù)合材料層合板切口試樣，有著良好的疲勞性能。甚至，疲勞加載后切口試樣的剩余強度往往會大于其切口試樣靜強度。
聚合物基體高分子材料的粘彈性，使基體對加載速率和溫度敏感。纖維的導(dǎo)熱性將直接影響疲勞試驗過程中試樣內(nèi)的熱擴散。實驗結(jié)果表明：對于大多數(shù)碳纖維復(fù)合材料纖維控制層合板加載情況，如 )8層所占比例較大的層合板，軸向載荷疲勞情況， 9 7):;范圍內(nèi)疲勞壽命基本相同，頻率影響可以忽略不計。而對于基體控制的層合板和玻璃纖維復(fù)合材料層合板，如［ 6 12］<5層合板，隨著試驗頻率的增加，試樣溫度升高明顯，疲勞壽命縮短。因此，目前疲勞試驗工作頻率多取 2:;以下，以 2:;為宜。
溫度和濕度是影響聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能的主要環(huán)境因素，不僅使材料固有性能（模量和強度）惡化下降，而且吸濕會降低聚合物基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。疲勞試驗結(jié)果表明： =)-32> *:試驗條件下， * (),和 疲勞載荷情況 &—’曲線比室溫、 1)> *:情況下降 )> 9 4)>。低溫對疲勞壽命的影響幾乎可以忽略（基本無影響）。
綜上所述，復(fù)合材料優(yōu)異的疲勞性能，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計可采用“靜力覆蓋疲勞設(shè)計”的疲勞門檻值方法。
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第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求、設(shè)計原則與使用環(huán)境
第一節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)和要求
一、結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)
復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)與金屬材料結(jié)構(gòu)基本相同，可歸納為如下幾點：（"）軍用飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)完整性要求；民用飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足
有關(guān)適航條例規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。（）滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)壽命（飛行小時數(shù)、起落次數(shù)、日歷年，以先到期者為限）。（）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全水平，不能低于同類金屬結(jié)構(gòu)。（%）結(jié)構(gòu)應(yīng)有明顯的（"&’ ( )’或更大的）減重效果。（&）盡力降低壽命周期費用。壽命周期費用（ *+,-./.*-.012）是全面反映系統(tǒng)財
政資源消耗的一套綜合參數(shù)；由初步設(shè)計、方案驗證、全面研制、生產(chǎn)、使用和保障、退役和處置等所有相關(guān)費用的總和構(gòu)成；是裝備系統(tǒng)最主要性能參數(shù)之一。
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