中国民航大学本科生毕业论文含穿孔损伤复合材料层合板刚度降模型院系：航空工程学院专业：飞行器动力工程班级：040141 D 姓名：李伟学号：指导教师：卢翔二零零八年六月基于疲劳损伤两段论的复合材料层合板刚度降模型李伟摘要：复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤是十分复杂的，对损伤的精确建模是关系到复合材料力学行为描述的关键问题。
精确的模型能更深刻地认识复合材料的损伤机理。
本文从实际工程背景出发，利用疲劳累积损伤模型，结合疲劳损伤两段理论，对复合材料层合板的寿命问题开展了较为系统深入的研究。
主要内容包括：（1）在刚度降模型的基础上，根据疲劳损伤的两阶段理论，将复合材料的疲劳损伤划分为两个阶段。
并且用两种不同的函数分段描述疲劳损伤的过程，建立了疲劳损伤演化两阶段模型。
通过查阅相应的试验数据，运用多元函数的最小二乘法，得到了模型中的各个拟合参数。
最后以75%的强度极限应力水平为例，对模型进行了验证。
（2）在无孔层合板疲劳累积损伤模型的基础上，运用“点应力准则”概念，提出了带圆孔复合材料层合板的疲劳累积损伤模型，定义了应力修正因子。
通过查阅相关的试验数据，获得了特征点应力修正因子，并建立了该带孔板疲劳累积损伤模型。
用该模型对孔径为5mm层合板的S-N(应力-寿命,S-N)曲线进行了疲劳寿命预测与验证。
关键词：复合材料刚度降疲劳损伤寿命预测S-N曲线Stiffness reduction analysis for composite laminates with circular of laminated composite. In this paper, starting from a practical engineering background, using the fatigue accumulation damage theory, together with the two-stage theory for fatigue damage, a in-depth study for the fatigue life ofcomposite laminates are carried on. The research work in this paper is included following:1、On the basis of the stiffness reduction model, According to thetwo-stage fatigue damage theory, a damage process is divided into two stage。
In order to express the fatigue damage accurately, the two-stage model for fatigue accumulation damage is presented. Through accessing to the corresponding test data, using of the least squares method for multi-function, the parameters in the model are finally got.In the end, the fatigue tests of the composite materials under 75% ultimate strength are investigated experimentally.Based on the stiffness reduction model of imperforate composite laminates, using the concept of “characteristic dimension”stress, a fatigue model is presented for the fatigue of notched laminates, and the concept of thecorrect factor is also defined. The fatigue test of notched laminates withdifferent diameters is refered to abtain the correct factor and the model ofnotched laminates. T; fatigue damage; life prediction; S-N curve目录第1章概述 ...........................................................1.1引言..............................................................1.2复合材料疲劳特性研究方法...........................................1.3累积损伤理论回顾...................................................1.3.1 剩余寿命模型..................................................1.3.2 剩余强度模型..................................................1.3.3 剩余刚度模型..................................................1.3.4 耗散能模型....................................................1.3.5 Markov链损伤扩展模型..........................................1.3.6 其他模型......................................................1.4本文研究方法.......................................................第2章复合材料层合板疲劳寿命分析模型的建立. (1)2.1刚度降模型简介 (1)2.1.1 理论模型 (1)2.1.2 半经验模型 (1)2.1.3 经验模型 (1)2.2基于分段损伤论的刚度降模型的建立 (1)2.3带孔层合板的疲劳累积损伤模型 (2)2.4本章小结 (2)第3章完整层合板刚度降模型的求解 (2)3.1试验概况 (2)3.2静强度试验结果 (2)3.3疲劳寿命试验结果及分析 (2)3.4疲劳损伤模型的求解 (2)3.4.1 第一阶段刚度降模型的求解 (3)3.4.2 第二阶段刚度降模型的求解 (3)3.5单级载荷下复合材料层合板S-N曲线预测 (3)3.6预测已知最大加载应力试件使用寿命的算例 (3)3.6.1 关于经验刚度断裂准则的拟合 (3)3.6.275%应力水平下的寿命预测算例 (3)3.7本章小结 (3)第4章带孔层合板疲劳及损伤模型研究 (3)4.1不同孔径带孔层合板的静态参数 (3)4.1.1 试件的几何尺寸 (3)4.1.2 带孔板件的静拉伸试验与静强度参数 (3)4.1.3 带孔层合板特征尺寸的确定 (3)4.2不同孔径带孔层合板的疲劳行为 (4)4.3带孔板疲劳累积损伤寿命模型 (4)4.4带孔板的S—N曲线预测 (4)4.5本章小结 (4)第5章总结与展望 (4)5.1全文总结 (4)5.2展望 (4)后记 (5)参考文献 (5)附录 (5)附录A：程序清单 (5)附录B：外文资料翻译 (5)英文资料原文部分 (5)英文资料翻译部分 (6)第1章概述本章首先简单地介绍了复合材料的基本概念、特点、发展过程以及其在民用飞机上的应用情况。
然后简单的介绍了复合材料损伤的类型和特点。
最后系统的总结了几种复合材料的疲劳累积损伤模型，并按照损伤的不同定义将现有的累积损伤理论分为：剩余寿命模型、剩余强度模型、剩余刚度模型、耗散能模型、Markov链模型。
1.1引言复合材料是由两种或两种以上不同性质的单一材料用物理和化学方法在宏观尺度上人工复合而成的具有新性能的固体材料。
在微观上它是一种不均匀材料，具有明显的界面，在界面上存在着力的相互作用。
它保留了组分材料的主要优点，改善了组分材料的的刚度、强度、热学等性能，克服或减少了组分材料的许多缺点，还会产生一些组分材料所没有的优异性能和弱点。
通常复合材料是由高强度、高模量、脆性的增强材料和低强度、低模量、韧性的基体材料经一定的成型加工方法制成。
复合材料可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能。
可按对性能的需要进行材料的设计和制造。
可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工。
不仅如此，它还有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、减震性能好、高温性能好和破损安全性好等普通金属无法比拟的特点。
但是它也具有脆性材料特性的不足之处。
复合材料的发展大致可以分为三个阶段。
从1940年到1960年是玻璃纤维增强塑料时代，同时还出现了硼纤维和碳纤维增强塑料，这个时期可以看着复合材料发展的第一阶段。
从1960年到1980年的20年里是先进复合材料相继出现的时代，它们是Kevlar纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、氧化铝金属纤维增强塑料、各种金属基、陶瓷基、碳基纤维增强塑料等，该时期可以看着发展的第二段。
从1980年至今是复合材料发展的第三阶段，先进复合材料在此时期得到充分的发展，复合材料不仅在宇航及航空材料中得到应用，而且在所有的工业领域中都得到广泛的应用。
同时在此阶段纤维增强塑料FRP（Fiber Reinforced Plastic，FRP）和纤维增强金属FRM (Fiber Reinforced Metal- FRM)都得到了实用化。
复合材料可以在很大程度上改善和提高了单一常规材料的力学性能、物理性能和化学性能。
并且可以解决在工程结构上采用常规材料无法解决的关键性问题。
因此，不仅飞机、火箭、导弹、舰艇、坦克和人造卫星这些军工产品离不开它，甚至连运输工具、建筑材料、机器零件、化工容器和管道、电子材料、原子能工程结构材料、医疗器械、体育用品以及食品包装等产品也离不开它。
由此可见，复合材料在国民经济中的作用十分重要，要使工业和国防现代化，没有新型的复合材料的开发和应用是不可能的。
纤维增强复合材料在飞机的主要结构中的应用始于70年代初，随着复合材料在飞机主结构上的大量应用，以及其设计许用应变的提高，复合材料结构的疲劳成为飞机设计师迫切关心的问题之一，因而受到广泛重视。