第八章 复合材料结构耐久性损伤容限设计4-1

课题第八章复合材料结构耐久性损伤容限设计（三）目的与要求提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法和材料使用因素损伤容限分析和疲劳特性概述了解耐久性/损伤容限设计实例复合材料制件的疲劳特性分析方法重点损伤容限分析和疲劳特性概述复合材料制件的疲劳特性分析方法难点复合材料制件的疲劳特性分析方法教具复习提问耐久性/损伤容限设计的特点是什么？复合材料制件的疲劳特性分析方法有哪些？新知识点考查损伤容限分析和疲劳特性布置作业课堂布置课后回忆损伤容限分析和疲劳特性？复合材料制件的疲劳特性分析方法有哪些？备注教员1.提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法1.1.损伤的极限1.1.1通常损伤程度●碳纤维复合材料存在缺陷/损伤时，因其强度下降时可能高达60%左右，因此按照损伤容限设计的结构厂采取较低的许用值进行控制，一般情况不超过4000μξ。

●零部件强度的下降必定导致系统性能的下降，设计过程中使用的降低了的许用值，必定不能充分发挥材料的最大性能，不但影响了设计的效率，而且给工艺制造过程和质量控制造成过大的裕度和能源浪费。

1.1.2当前的设计目标●为了充分发挥复合材料的潜在优势，近年来国内外提高了损伤容限，也提高设计许用值。

●从最初设计阶段、工艺制造过程和质量控制方面综合考察，要求设计许用值达到6000μξ。

●根据国外的相关报道，经过数年的科研工作，在飞机设计方面采用的复合材料构件已经达到上述要求。

✧机翼结构设计的拉、压设计许用应变值提高到6000μξ；✧剪切应变值提高10000μξ。

1.1.3设计思想●提高结构的抗损伤能力✧抑制损伤的形式；✧减少损伤范围，如减少冲击的区域；✧抑制或阻止损伤进一步发生。

●提高结构包容损伤的能力✧提高复合材料结构受损后的剩余强度和疲劳强度/疲劳寿命；✧采用更先进的复合材料成形技术，增加制件自身的性能；✧使用强度更高的体积材料和增强材料，保证“原材料”的性能；✧采用合理的浸润工艺，提高界面相的性能。

复合材料结构概率损伤容限设计方法研究1. 研究背景现阶段在复合材料结构的损伤容限设计方法中，所考虑的主要物理量是按确定量来处理的而忽略了它们的随机性，即确定性方法。

例如，复合材料结构在制造或使用期间常常会产生损伤，为了使设计的结构在经受这样的损伤之后仍能安全使用，在实践中一般的做法是限制复合材料结构中的许用应力。

典型的做法是，将复合材料结构设计成经得起下述最苛刻的二个条件中的任何一个：（1）极限载荷下任何位置的6.3 mm的开孔；（2）规定尺寸的物体冲击表面时引起的损伤（代表目视勉强可见的冲击损伤威胁）。

两个准则都假设在构件的寿命期内存在缺陷。

很显然，这些准则降低了复合材料的许用强度。

确定性方法规定一个安全系数以覆盖未知量而导致保守的设计，传统上安全系数一般取为1.5。

实际上，飞机结构的安全性要受到很多因素的影响，其中一些主要影响因素还具有明显的、不可忽视的随机特性。

因此用统计模式来表征部件尺寸、环境因子、材料特性和外载荷等设计变量更为符合实际情况。

确定性方法是找出并定义在设计中要满足的一个最严重情况或极值，而概率设计方法则在设计中利用统计学特征并试图提供一个期望的可靠度。

概率方法依赖于一个变量的统计特征来确定它的大小和频率，较确定性方法更为合理。

当前军用和民用飞机的结构设计除满足强度和刚度要求外，已广泛采用耐久性/损伤容限设计思想。

其中，损伤容限设计思想是在“破损安全”概念的基础上演变而来的，主要基于如下考虑，即结构带损伤使用是难以避免的事情。

损伤容限设计思想要求含损伤结构在损伤被检出之前要保持足够的剩余强度。

损伤容限设计是依靠结构对损伤容忍能力和规定的无损检测的有效性来保证安全的。

目前的损伤容限设计方法属于确定性设计方法。

因此，进一步的设计思想是发展一种能综合考虑各种主要因素的影响及其随机性的设计方法，即复合材料结构可靠性分析与设计方法。

2. 复合材料结构概率损伤容限设计涉及的损伤表征问题研究2.1 损伤类型及其相应的损伤信息数据库在复合材料材料结构损伤容限设计中的初始缺陷主要包括制造加工缺陷与使用（服役）缺陷两大类。

复合材料的耐久性分析与评估在现代工程领域，复合材料因其优异的性能而被广泛应用。

然而，要确保复合材料在长期使用中的可靠性和安全性，对其耐久性的深入分析与评估至关重要。

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成，通过协同作用实现比单一材料更出色的性能。

常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和层合复合材料等。

耐久性，简单来说，是指材料在特定环境条件下抵抗性能退化和保持其功能完整性的能力。

对于复合材料，耐久性受到多种因素的影响。

首先，复合材料的组成成分对其耐久性有着直接的影响。

增强纤维的类型、性能和含量，以及基体材料的特性都会改变复合材料的耐久性表现。

例如，碳纤维具有高强度和高模量，但在某些化学环境中可能不如玻璃纤维稳定。

基体材料的耐腐蚀性、耐热性和抗疲劳性能等也是关键因素。

其次，制造工艺也在很大程度上决定了复合材料的耐久性。

在制备过程中，纤维与基体的结合质量、孔隙率的大小以及残余应力的分布等都会影响复合材料的长期性能。

如果制造过程中存在缺陷，如纤维分布不均匀、孔隙过多或界面结合不良，这些都会成为潜在的薄弱点，加速材料的性能退化。

环境因素是影响复合材料耐久性的另一个重要方面。

温度、湿度、化学介质以及机械载荷等环境条件的变化，都可能导致复合材料的性能下降。

高温可能会使基体软化或导致纤维与基体的界面结合弱化；湿度会引起材料的吸湿膨胀，从而影响其力学性能；化学介质可能会腐蚀基体或与纤维发生化学反应；而长期的机械载荷则会导致材料的疲劳损伤。

在对复合材料耐久性进行分析时，需要采用一系列的实验方法和技术。

力学性能测试是常用的手段之一，包括拉伸、压缩、弯曲和剪切试验等，以评估材料在不同载荷条件下的强度和变形特性。

此外，还可以通过疲劳试验来研究材料在循环载荷下的耐久性。

微观结构分析也是必不可少的，如扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）等技术，可以帮助观察材料内部的纤维分布、界面状态以及可能存在的缺陷和损伤。

复合材料损伤准则一、引言现代工业特别是航空航天、船舶和汽车等行业中广泛应用的复合材料已成为重要的结构材料。

由于其广泛的应用，如何预测和控制复合材料结构的损伤及其演化已成为该领域研究的热点问题。

二、基本概念复合材料的主要成分是复合纤维和复合基体。

综合地考虑复合材料的各种损伤模式，常常采用损伤演化模型来描述其力学行为。

损伤演化模型一般采用损伤准则来描述损伤的阈值和损伤变量的关系。

三、分类复合材料的损伤准则一般可以分为本构损伤准则和破坏准则两类。

本构损伤准则是指一系列用于描述材料在弹性范围内损伤演化的模型。

这些模型通常基于连续介质损伤力学原理，并且将材料的本构行为与损伤过程进行了耦合。

常用的本构损伤准则包括弹性损伤准则、弹塑性损伤准则、本构细观损伤准则等。

破坏准则是指一系列用于描述材料破坏发生的模型。

破坏准则通常将材料的极限状态与某些损伤指标进行关联。

常用的破坏准则包括理想强度理论、最小势能准则、断裂力学、能量准则等。

四、应用复合材料的损伤准则在实际应用中具有广泛的应用价值。

根据不同的应用情况，可以选择相应的损伤准则进行分析和设计。

例如在航空航天领域，需要对复合材料在高空高速飞行中的损伤进行研究，因此可以采用弹塑性损伤准则来描述损伤演化状态。

而在汽车领域，需要对复合材料在碰撞过程中的性能进行分析，因此可以采用破坏准则来描述破坏状态。

五、结论综上所述，复合材料的损伤准则是复合材料研究领域中的重要内容。

不同的损伤准则可以用于描述不同的材料及其应用领域的性能和损伤演化状态。

从而对材料的设计和应用提供了科学的依据。

复合材料结构损伤容限设计的两个关键参数＊冯振宇，郝　鹏，邹田春（中国民航大学航空工程学院，天津３００３００）摘要 综合分析研究了复合材料飞机结构损伤设计和合格审定中的两个关键参数（损伤尺寸参数和冲击能量截止值）。

研究结果表明，当复合材料结构损伤阻抗较低时，可按损伤尺寸（采用冲击凹陷深度表征）确定损伤结构的剩余强度；当复合材料结构损伤阻抗较高时，可按冲击能量截止值确定损伤结构的剩余强度。

为民用飞机复合材料结构设计和合格审定提供了参考。

关键词 飞机结构　复合材料　损伤容限　设计参数Ｔｗｏ　Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｄａｍａｇｅ　Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ＤｅｓｉｇｎＦＥＮＧ　Ｚｈｅｎｙｕ，ＨＡＯ　Ｐｅｎｇ，ＺＯＵ　Ｔｉａｎｃｈｕｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｗｏ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｄａｍａｇｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｃｕｔ－ｏｆｆ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ｅｎｅｒｇｙ）ｉｎ　ａｉｒｃｒａｆｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄａｍａｇｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｉｒｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔｗｈｅｎ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄａｍａｇｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄａｍ－ａｇｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（ｕｓｉｎｇ　ｉｍｐａｃｔ　ｄｅｎｔ　ｄｅｐｔｈ　ｔｏ　ｉｎｄｉｃａｔｅ），ａｎｄ　ｗｈｅｎ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄａｍａｇｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ，ｄｅｔｅｒ－ｍｉｎｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｕｔ－ｏｆｆ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｇｏｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｃｉｖｉｌ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ ａｉｒｃｒａｆｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｄａｍａｇｅ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　＊中国民航局科技项目（ＭＨＲＤＺ２０１０１０）　冯振宇：男，１９６６年生，博士生，主要研究方向为复合材料结构损伤容限设计 复合材料结构对冲击损伤是极为敏感的，严重的冲击损伤可明显降低复合材料结构静强度。

复合材料的耐久性与性能优化在当今的科技领域，复合材料因其卓越的性能和广泛的应用前景而备受瞩目。

从航空航天到汽车制造，从建筑行业到体育用品，复合材料的身影无处不在。

然而，要充分发挥复合材料的优势，确保其在长期使用中的耐久性，并不断优化其性能，是一个至关重要却充满挑战的课题。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的。

其组成成分通常包括增强材料（如纤维）和基体材料（如树脂）。

这种独特的结构赋予了复合材料优异的力学性能、耐腐蚀性和轻质高强等特点。

耐久性是衡量复合材料在长期使用过程中保持性能稳定的关键指标。

影响复合材料耐久性的因素众多，环境因素首当其冲。

湿度、温度、紫外线辐射以及化学物质的侵蚀，都可能导致复合材料的性能逐渐下降。

例如，在潮湿的环境中，水分可能渗透到复合材料内部，破坏纤维与基体之间的界面结合，从而降低其强度和刚度。

此外，复合材料在使用过程中所承受的载荷类型和大小也对其耐久性产生重要影响。

长期的交变载荷可能引发疲劳损伤，逐渐累积并导致材料失效。

而且，制造过程中的缺陷，如孔隙、纤维分布不均匀等，也会成为耐久性的潜在隐患。

为了提高复合材料的耐久性，研究人员采取了一系列措施。

优化制造工艺是其中的重要一环。

通过改进复合材料的成型方法，如采用先进的自动化铺层技术，可以有效地减少制造过程中的缺陷，提高纤维和基体的结合质量，从而增强复合材料的耐久性。

材料的选择也是关键。

选用具有良好耐环境性能的基体材料和高强度、高耐疲劳的增强纤维，能够显著提升复合材料的耐久性。

例如，使用耐湿性好的环氧树脂作为基体，以及高强度的碳纤维作为增强材料，可以使复合材料在恶劣环境下依然保持良好的性能。

对复合材料进行表面处理也是一种有效的手段。

通过施加防护涂层，如抗腐蚀涂层、抗紫外线涂层等，可以阻隔外界环境因素对材料的直接作用，延长其使用寿命。

在关注复合材料耐久性的同时，性能优化也是一个永恒的主题。

性能优化旨在进一步提升复合材料的各项性能指标，以满足不断提高的应用需求。

现有的飞机金属结构耐久性/损伤容限要求，原则上也适用于复合材料结构，但由于材料特性和破坏机理的不同，对复合材料结构有一些特殊要求，相应地在结构设计和分析过程中也会有一些与金属材料不同的特点。

金属结构的耐久性/损伤容限设计分析方法以金属断裂力学为基础，主要包括：改进的疲劳设计分析方法；确定性裂纹扩展方法；概率断裂力学法。

复合材料通常采用低应变设计和损伤无扩展概念来设计。

在试验验证和设计应用时，采用积木式设计试验验证方法。

3.1金属结构与复合材料结构的不同目前飞机复合材料结构的主要形式为由单向预浸带铺叠并固化而成的层压结构。

单向带呈现强烈的正交各向异性（沿纤维方向的性能和垂直纤维方向的性能差1-2个数量级），层压结构各向异性的另一个表现是层间性能远低于其面内性能，以及其组分材料—纤维与基体力学性能的巨大差距。

复合材料的层压板的各向异性、脆性和非均质性等特点，是复合材料层压板的失效机理与金属完全不同，因而他们的损伤、断裂和疲劳性能也有很大差别。

下表概述了影响复合材料结构与金属结构疲劳和损伤容限的主要因素。

（1）结构主要的缺陷和损伤类型裂纹是金属结构的主要损伤形式。

复合材料结构的主要缺陷/损伤形式是界面脱胶、分层和低能量（特别是低速）外来物产生的冲击损伤。

冲击损伤的威胁在于当内部产生大范围基体开裂和分层时，外表面往往仍目视不可检，但其压缩承载能力已大幅下降。

（2）复合材料结构的特殊要求：冲击损伤源：在设计时必须考虑使用引起的损伤（低能量冲击损伤等）研究它对修理、维护和功能可能产生的影响，并证实外表面不易检查出的损伤不会影响其耐久性。

重复的低能量冲击，要研究重复低能量冲击对结构耐久性影响（冰雹撞击、工具掉落或由于踩踏）。

（3）缺口敏感性金属一般都有屈服阶段，而复合材料往往直至破坏时，其应力—应变曲线仍呈现线性，所以复合材料的静强度缺口敏感性高于金属。

疲劳缺口敏感性则低于金属，其疲劳缺口系数（一定循环次数下，无缺口试件疲劳强度与含缺口疲劳强度之比）远小于静应力集中系数，并且在中长寿命情况下接近于1。