聚合物基复合材料老化剩余强度等效预测方法研究[1]
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复合材料的疲劳寿命预测模型与应力因素分析引言:复合材料是一种由两种或两种以上的材料组成的新型材料,具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点,在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域得到了广泛应用。
然而,由于其复杂的结构和多种材料的组合,复合材料在长期使用过程中容易出现疲劳破坏,因此研究复合材料的疲劳寿命预测模型和应力因素分析具有重要意义。
一、疲劳寿命预测模型1.1 疲劳寿命的概念疲劳寿命是指材料在循环载荷下能够承受的次数,也是材料在疲劳加载下出现破坏的循环次数。
疲劳寿命预测模型的建立可以帮助我们更好地了解材料的疲劳性能,从而提前预防疲劳破坏。
1.2 疲劳寿命预测模型的分类疲劳寿命预测模型可以分为经验模型和物理模型两种。
经验模型是通过试验数据拟合得到的,适用于相似材料和相似加载条件下的疲劳寿命预测。
物理模型则是通过材料的物理性质和力学行为建立的,适用于复杂材料和加载条件下的疲劳寿命预测。
1.3 经验模型的应用经验模型是疲劳寿命预测中最常用的方法之一。
常见的经验模型有Basquin模型、Coffin-Manson模型和Smith-Watson-Topper模型等。
这些模型通过试验数据的拟合,可以得到材料的应力应变曲线和疲劳寿命曲线,从而进行疲劳寿命的预测。
1.4 物理模型的应用物理模型是疲劳寿命预测中较为复杂和精确的方法。
物理模型通过考虑材料的微观结构和应力分布等因素,建立材料的疲劳寿命预测模型。
常见的物理模型有微观损伤力学模型、断裂力学模型和有限元分析模型等。
这些模型可以更准确地预测复合材料的疲劳寿命,并为材料设计和工程应用提供指导。
二、应力因素分析2.1 应力的分类在复合材料的疲劳分析中,应力可以分为静态应力和疲劳应力。
静态应力是指材料在静止状态下受到的外力作用,疲劳应力则是指材料在疲劳加载下受到的循环载荷作用。
2.2 应力的影响因素复合材料的疲劳寿命与材料的应力分布密切相关。
应力的大小、方向和分布都会对材料的疲劳性能产生影响。
剩余强度评估剩余强度按照《基于风险的埋地钢质管道外损伤检验与评价》 (GB/T30582-2014)剩余强度Sf 的确定原则对管体进行评估。
此方法适用于含体积型缺陷和凹陷的在役埋地钢质管道的评估。
在吸收和借鉴国内外在腐蚀管道评估方面所取得的研究成果的基础上,为了克服现存各种评估方法的局限性,得到更符合工程需要的评估结果,具体方法如下:1. 确定管道外径和公称壁厚,资料审查中查阅记录和现场测量结合;2. 对于开挖点,去除外防腐层,清除钢管表面腐蚀痕迹至暴露出金属色泽;3. 测量腐蚀点处壁厚及腐蚀处的轴向长度L ;4. 确定材料的力学参数[σ];5. 选用合适的估计方法计算失效压力F P ,并计算校核强度S 0=PD/2T ;6. 根据地区等级确定安全设计系数SF ;7. 比较计算的失效压力F P 与S 0×SF ;如果≥F P S 0×SF ,该处缺陷可以接受,否则需要降低压力工作。
含体积型缺陷管道的失效压力如下:(公式3)式中:F P 为含缺陷管道的失效压力,MPa ;D 为管道直径,mm ;t 为管道壁厚,mm ;d 为腐蚀缺陷深度,mm ;flow σ为流变应力,由下式确定:(公式4)min ysσ为材料最小屈服强度,MPa ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅--=M t d t d D t P flow F 185.0185.012σmin 1.1ys flow σσ=M 为Folias 膨胀系数,由下式确定: 50)/(2>Dt L (公式5) 50)/(2≤Dt L (公式6)L 为缺陷长度,mm 。
管道运行压力不得超过最大允许工作压力,最大允许工作压力为:F P K p ⋅=p 为管道最大允许工作压力,MPa ;K 为设计系数,应根据管道内的介质类型、缺陷及所在处的地区级别等确定。
本次受检埋地管道共发现防腐层漏电点21处。
受检单位对15个已打孔检漏处理的漏电点处进行了燃气泄漏检测,结果未发现燃气泄漏;对4处漏电点进行了开挖修复;其余2处漏电点处于水中,无法打孔检漏,观察水面未发现泄漏气泡。
在役结构剩余寿命预测
孙文静;李永和
【期刊名称】《上海大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2004(010)006
【摘要】结合对锈蚀钢筋的材料性能变化和混凝土强度随时间变化的规律的研究,建立了一般大气环境中钢筋混凝土构件的抗力衰减随机过程,对服役全过程可靠度指标进行了动态观察.依据电化学原理,建立计算钢筋锈蚀量的数学模型.在实际β水准和耐久性失效水准的基础上给出计算结构剩余寿命的方法.同时,运用实际检测和实验验证了剩余寿命预测方法的可行性.
【总页数】5页(P635-638,648)
【作者】孙文静;李永和
【作者单位】上海大学,土木工程系,上海,200072;上海大学,土木工程系,上
海,200072
【正文语种】中文
【中图分类】TU375
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李强;黄文龙
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装备环境工程第20卷第6期·64·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2023年6月树脂基复合材料模拟海洋环境长期老化及失效行为王登霞1,谢可勇1,刘俊聪1,安琪1,王新波1,钟勇2,丁康康3(1.山东非金属材料研究所,济南 250031;2.西南技术工程研究所,重庆 400039;3.中船重工第七二五研究所,山东 青岛 266237)摘要:目的实现高性能树脂基复合材料的环境适应性评价和使用寿命预测。
方法选取玻璃纤维增强不饱和聚酯(GF/197S)与玻璃纤维增强乙烯基脂(GF/905-2)2种树脂基轻质复合材料,开展模拟海洋环境实验室盐雾、湿热和盐水浸泡环境9 600 h的加速老化试验。
基于4种力学性能(拉伸强度、弯曲强度、压缩强度及层间剪切强度)开展材料老化行为规律研究,利用傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)对树脂基体在3种加速老化环境中的分子链段与官能团变化情况进行分析,得到基体树脂的老化机理。
利用外观、超声扫描成像、SEM分析树脂纤维界面的变化情况,明确树脂/纤维界面的失效模式。
利用差示扫描量热分析(DSC)与热重分析(TG)分析3种加速老化方式对玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRPC)的玻璃化转变温度(t g)与热质量损失的影响。
结果3种老化方式对树脂基体的老化影响顺序依次为70 ℃/95%RH 湿热、35 ℃盐雾、常温盐水浸泡。
结论得到了先进轻质树脂基复合材料的模拟海洋环境老化行为、失效模式以及树脂基体的老化机理,为实现高性能树脂基复合材料的环境适应性评价和使用寿命预测奠定了基础。
关键词:玻璃纤维增强树脂复合材料;模拟老化;力学性能;腐蚀行为;失效模式;不饱和聚酯;乙烯基脂中图分类号:TQ322.4 文献标识码:A 文章编号:1672-9242(2023)06-0064-011DOI:10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.009Long Term Aging and Failure Behaviors of Polymer Composites inSimulated Marine EnvironmentsWANG Deng-xia1, XIE Ke-yong1, LIU Jun-cong1, AN Qi1, WANG Xin-bo1, ZHONG Yong2, DING Kang-kang3(1. Shandong Institute of Non-metallic Materials, Jinan 250031, China; 2. Southwest Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039, China; 3. 725th Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shandong Qingdao 266237, China)ABSTRACT: Two kinds of resin based lightweight composites: glass fiber reinforced unsaturated polyester (GF/197S) and glass fiber reinforced vinyl ester (GF/905-2) were selected to carry out accelerated tests in simulated marine environment of salt spray aging, hydrothermal aging and salt water immersion for 9 600 h in laboratory. The effects of the three aging environments收稿日期:2022–09–07;修订日期:2022–11–04Received:2022-09-07;Revised:2022-11-04基金项目:国防技术基础科研项目(JSHS2019209C001,JSHS2019207B001,JSHS2020209B007)Fund:Basic scientific research project of National Defense Technology (JSHS2019209C001, JSHS2019207B001, JSHS2020209B007)作者简介:王登霞(1981—),女,博士,研究员,主要研究方向为非金属材料环境试验与寿命预测。
复合材料层合板的疲劳寿命预测及试验研究复合材料层合板是一种新型材料,具有高强度、高刚度、高韧性和轻质等优点。
在航空航天、汽车、船舶、电子、建筑等领域得到广泛应用。
然而,随着使用寿命的延长,复合材料层合板会出现疲劳损伤,从而降低其力学性能。
疲劳寿命是衡量复合材料层合板耐久性能的重要指标,因此,如何准确预测复合材料层合板的疲劳寿命成为了当前研究的热点问题。
一、复合材料层合板的疲劳损伤机理复合材料层合板的疲劳损伤主要有三种形式:疲劳裂纹、层间剥离和纤维失效。
疲劳裂纹是指由于反复的载荷作用产生的疲劳应力,使材料中的裂纹逐渐扩展,从而导致断裂。
层间剥离是指复合材料层合板中各层之间的粘结剪切层界面发生分离,最终导致层间脱粘。
纤维失效是指纤维断裂或拉断,导致复合材料层合板的强度和刚度下降。
二、复合材料层合板疲劳寿命预测方法为了准确预测复合材料层合板的疲劳寿命,需要对其力学性能进行测试和分析,确定其材料参数和疲劳性能。
一般采用有限元方法进行疲劳寿命预测,即将复合材料层合板的结构分解成有限数量的小单元,再利用计算机模拟每个小单元的力学性能,然后将这些小单元组合起来,得出整个结构体系的力学性能及其变化规律,从而得出疲劳寿命。
三、复合材料层合板疲劳寿命试验研究复合材料层合板疲劳试验是验证疲劳寿命预测结果的重要手段。
疲劳试验主要通过模拟实际使用条件,采用交变载荷或者脉冲载荷进行,测量材料的疲劳性能,并记录试验过程中的变形、裂纹扩展和层间剥离等信息。
通过试验可以得到复合材料层合板受不同载荷和振幅下的疲劳寿命,为研究和改善其力学性能提供参考。
四、复合材料层合板疲劳寿命预测和试验研究的应用复合材料层合板作为航空航天、汽车、船舶、电子、建筑等领域中的主要结构材料,其使用寿命和安全性是极为关键的。
通过复合材料层合板疲劳寿命预测和试验研究,可以为其设计和制造提供科学依据,为改善其力学性能提供技术支持和保障。
结语随着科技的不断推进,复合材料层合板在各个领域的应用越来越广泛。
随机疲劳下复合材料剩余刚度-剩余强度关联模型及寿命预测李友明;景昭;吴增文;李冰垚;刘琛;葛敬冉;梁军
【期刊名称】《强度与环境》
【年(卷),期】2024(51)1
【摘要】剩余刚度和剩余强度作为描述复合材料疲劳损伤程度最常见的方法,在应用过程中都存在各自的优缺点。
刚度试验成本低,但缺少明确的失效判据使得其实际工程中的应用受到限制,强度虽然存在天然的失效判据,但破坏性试验导致试验成本较高。
考虑复合材料结构大多在随机交变载荷下服役,如噪声、振动等。
本文通过复合材料常幅疲劳数据推导了随机疲劳下的剩余强度曲线,提出了一种随机载荷下的剩余刚度-强度关联模型,减少了试验时间和成本,并通过关联模型预测了结构随机疲劳寿命,预测值与试验值具有较好的一致性。
【总页数】8页(P23-30)
【作者】李友明;景昭;吴增文;李冰垚;刘琛;葛敬冉;梁军
【作者单位】北京理工大学先进结构技术研究院;北京航天长征飞行器研究所;宁波工程学院机器人学院
【正文语种】中文
【中图分类】V415.5
【相关文献】
1.监测复合材料结构剩余疲劳寿命的剩余刚度方法
2.复合材料层压板剩余刚度-剩余强度关联模型
3.复合材料层板基于剩余刚度比的剩余强度模型
4.用剩余疲劳损
伤强度预测机械零件疲劳可靠度及寿命的方法5.基于连续损伤力学的剩余疲劳寿命随机预测
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复合材料的疲劳寿命预测与评估在现代工程领域,复合材料因其卓越的性能,如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等,得到了广泛的应用。
从航空航天领域的飞机结构件到汽车工业的零部件,从风力发电的叶片到体育用品,复合材料的身影无处不在。
然而,与传统材料相比,复合材料的疲劳性能更为复杂,其疲劳寿命的预测与评估也成为了一个关键的技术难题。
要理解复合材料的疲劳寿命预测与评估,首先需要明白什么是疲劳。
简单来说,疲劳就是材料在循环载荷作用下,经过一定次数的循环后发生的破坏现象。
对于复合材料而言,由于其成分的复杂性和各向异性,疲劳损伤的机理和表现形式与传统金属材料有很大的不同。
复合材料的疲劳损伤通常包括纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等多种形式,而且这些损伤往往相互作用、相互影响,使得疲劳过程变得极为复杂。
在疲劳载荷的作用下,复合材料内部的微观缺陷会逐渐扩展、累积,最终导致材料的宏观失效。
因此,准确预测复合材料的疲劳寿命对于确保结构的安全性和可靠性具有重要意义。
目前,用于复合材料疲劳寿命预测的方法主要有两类:基于实验数据的经验方法和基于理论模型的分析方法。
经验方法是通过大量的实验数据来建立疲劳寿命与各种因素之间的关系。
这种方法虽然简单直观,但需要耗费大量的时间和成本来进行实验,而且对于新的材料体系或复杂的载荷条件,其预测能力往往有限。
分析方法则是基于材料的力学性能和疲劳损伤机理,建立数学模型来预测疲劳寿命。
常见的分析方法包括应力寿命法、应变寿命法和损伤力学法等。
应力寿命法通过研究应力与疲劳寿命之间的关系来进行预测,但它没有考虑到材料的塑性变形和损伤累积。
应变寿命法则考虑了材料的塑性变形,但对于复合材料的各向异性特性处理较为困难。
损伤力学法将材料的损伤演化过程纳入考虑,能够更准确地描述复合材料的疲劳行为,但模型的建立和参数的确定较为复杂。
在实际的疲劳寿命预测中,往往需要综合运用多种方法,并结合具体的工程应用背景来进行评估。
例如,在航空航天领域,对于关键的复合材料结构件,通常会采用严格的实验和分析相结合的方法,以确保疲劳寿命的预测精度和可靠性。
难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究难熔金属基复合材料具有高温、高强度和高耐磨等特点,在航空航天、能源以及汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
然而,由于其特殊的组织结构和复杂的力学性能,难熔金属基复合材料在使用过程中容易出现疲劳失效问题,限制了其进一步的应用。
为了延长难熔金属基复合材料的使用寿命并保障其安全可靠性,疲劳寿命预测变得尤为重要。
通过建立可靠的疲劳寿命预测模型,可以对材料的寿命进行准确预测,并为工程设计和材料选择提供科学依据。
在难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究中,主要存在以下几个关键问题:1. 组织结构和力学性能的分析:难熔金属基复合材料通常由金属基体和增强相组成,二者的组织结构和相互作用对材料的力学性能产生显著影响。
因此,在建立疲劳寿命预测模型之前,需要分析材料的组织结构,并准确描述金属基体和增强相的力学性能。
2. 疲劳损伤机理的研究:难熔金属基复合材料的疲劳失效通常是由于疲劳裂纹的扩展引起的。
因此,疲劳损伤机理的研究对于建立合理的疲劳寿命预测模型至关重要。
通过实验和数值模拟等手段,可以揭示材料在疲劳过程中的损伤演化规律和裂纹扩展行为。
3. 参数的选取和模型建立:疲劳寿命预测模型的建立需要选取一系列合适的参数,并通过实验数据进行拟合优化。
在难熔金属基复合材料的研究中,常用的参数包括材料的组织结构参数、应力状态参数和载荷历程参数等。
通过合理选择参数和建立适当的数学模型,可以较好地预测材料的疲劳寿命。
4. 模型验证和应用:建立疲劳寿命预测模型之后,需要通过实验验证来评估模型的准确性和可靠性。
同时,将所建立的模型应用于实际工程中,为材料的设计和使用提供科学依据。
在难熔金属基复合材料的疲劳寿命预测模型研究中,需要综合运用实验、理论和数值模拟等多种方法,将材料的组织结构、力学性能、疲劳损伤机理和参数等进行系统研究。
通过建立准确可靠的疲劳寿命预测模型,可以为难熔金属基复合材料的设计、制备和使用提供指导,并推动该类材料的进一步发展和应用。
・综述・收稿日期:2008-04-28;修回日期:2008-05-26作者简介:石增强,1979年出生,博士研究生,主要研究方向为导弹武器发射系统生存技术。
E -mail:shizengqiang@yahoo 芳纶纤维/环氧树脂的湿热老化石增强(第二炮兵工程学院,西安 710025)文 摘 分析了芳纶纤维/环氧树脂分子链结构与聚合态结构,论述了湿热对芳纶纤维/环氧树脂性能的影响,指出了研究芳纶纤维/环氧树脂老化的方法。
关键词 芳纶纤维,环氧树脂,复合材料,湿热老化Hygr other mal Aging of Ara mid Fibre /Epoxy Resin Co mposite MaterialShi Zengqiang(The Second A rtillery Engineering College,Xi ’an 710025)Abstract The aggregated state structure and molecule chain structure of ara m id fibre /epoxy resin in the com 2posite material is analyzed .And the influence of the hum id and ther mal conditi ons on the composite material is de 2scribed .The study methods f or aging of the aram id fibre /epoxy resin composite material ’s are indicated .Key words A ra m id fibre,Epoxy resin,Co mposite,Hygr other mal aging 1 前言芳纶纤维/环氧树脂以其高比强度和比模量,已经成为航空、航天领域被广泛应用的先进复合材料[1]。
陕西卫星会议2005复合材料等效弹性参数预估方法间的关系∗李录贤 王铁军西安交通大学工程力学系机械结构强度与振动重点实验室,西安 710049LuxianLi@摘要:目前已有许多关于复合材料等效参数的预估方法,较常用的有Reuss 预估、V oigt 预估、改进混合法则、Mori-Tanaka 模型、自洽模型和Wakashima-Tsukamoto 模型,本文研究这些预估方法所得结果之间的数学关系,以揭示隐藏在其间的物理本质。
关键词:复合材料,多相组分,宏观等效,弹性参数1. 前 言已有很多复合材料宏观等效弹性参数的预估方法。
最早的Reuss 预估和V oigt 预估分别被称为串联模型和并联模型, 它们是两种组分相弹性参数按照体积分数的加权平均。
1976年Tomoda 等[1]通过引入表征组分间应力应变传递比q ,提出了改进混合法则,并通过实验确定q 值。
在数学看,串联模型和并联模型是改进混合法则的两种极端情形。
Mori-Tanaka 模型是对两相复合材料细观力学分析的最成熟结果,Berryman [2]和Benveniste [3]在数学形式上更加完善。
上述方法给出的预估结果都是显式表达式,给据组分材料参数及其体积分数,可直接获得复合材料的宏观等效弹性参数。
为了提高精度,Hill [4], Budiansky [5],Hori 和Nemat-Nasser [6] 等,先后提出了几种自洽模型,但它们已不再是显式,需要通过迭代才能得到预估值。
另外,在Mori-Tanaka 模型基础上,又出现了Wakashima-Tsukamoto 模型[7],并在复合材料和功能梯度材料宏观弹性参数预估中受到了重视。
本文从数学上,分析串联模型、并联模型、改进混合法则、Mori-Tanaka 模型、自洽模型以及Wakashima-Tsukamoto 模型间的关系,为进一步探讨物理机理提供数学基础。
2. 改进混合法则与串联模型、并联模型间的数学关系改进混合法则中假定应力应变分别满足0011f f σσ=+σ (1) 0011f f εε=+ε (2) 同时,组分相间的应力应变传递比q 保持为常数,即001q 1σσεε−=−− (3) 在本文中,σ 和ε 分别表示整体复合材料的应力和应变,σ I 、ε I 及f I 分别表示第I 相的平均应力、平均应变和体积分数,并且,指标I = 0 代表基体相。