碳纤维复合材料层板结构环境条件下的疲劳性能研究

摘 要：该文针对碳纤维复合材料层板结构，分别进行标准环境下和湿热环境下的疲劳试验，对完成规定疲劳寿命的层板试验件进行剩余强度试验，分析了碳纤维复合材料层板结构的破坏模式。试验结果表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板结构的疲劳性能基本无影响，并对复合材料结构疲劳性能的后续研究进行了展望。

关键词：复合材料 湿热环境 疲劳性能

中图分类号：V258 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纤维复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料，其密度小、比强度和比模量高、耐疲劳、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，一经问世就显示了强大的生命力。作为一种先进的航空航天材料，其越来越广泛地应用于航空航天等高技术领域[1-4]。飞机复合材料结构在整个服役期间，反复作用的疲劳载荷是内部构件承受的主要载荷[5]。同时，湿热环境将会影响复合材料基体的玻璃化转变温度，从而影响复合材料的力学性能。因此，在复合材料层板结构的设计、试验验证中需要考虑环境的影响。本文针对复合材料层板结构在湿热环境的疲劳性能进行了研究。

1 复合材料结构的疲劳特性

复合材料结构疲劳特性与金属结构的疲劳特性有较大差别。

金属结构对疲劳一般比较敏感，特别是含缺口结构受拉拉疲劳时，其疲劳强度会急剧下降，但复合材料一般都有优良的耐疲劳性能。对于碳纤维复合材料层板，在拉-拉疲劳下，它能在最大应力为80%极限拉伸强度的载荷下经受106次循环。在拉-压或压-压疲劳下，其疲劳强度略低一些，但106次循环对应的疲劳强度一般约为相应静强度的50%。特别是压-压疲劳下含冲击损伤试验在106次循环对应的疲劳强度，一般不低于相应静强度的60%[6]。由于目前复合材料结构设计许用值主要取决于损伤容限许用值，在这样的应变水平下，通常复合材料结构具有无限寿命，这就是“静力覆盖疲劳”的含义。

复合材料结构设计师通常利用材料的疲劳门槛值，来简化复合材料层板结构的疲劳设计过程。复合材料结构通常按照疲劳损伤无扩展的概念来进行设计。

2 复合材料结构的环境影响

碳纤维复合材料由基体材料和碳纤维增强材料组成。其中碳纤维增强体在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体起配合作用，支持和固定碳纤维，改善复合材料的性能。

通常情况下，除了极高的温度，一般都不考虑湿热对金属强度的影响。但复合材料结构则必须考虑湿热环境的影响。碳纤维复合材料的树脂基体是吸湿的，随着吸湿扩展，会使结构出现不同的吸湿量分布。这样，不仅会降低碳纤维的抗腐蚀阻力，还会使基体的玻璃化转变温度降低，从而引起由基体控制的力学性能，如压缩、剪切等性能的下降，影响其强度和刚度。

复合材料结构对湿热环境敏感，湿热环境将会影响复合材料层板的物理性能、力学性能和破坏模式[7]。因此，在复合材料结构的选材、设计和验证过程中都要考虑湿热环境的影响。目前，在复合材料结构的“积木式”试验验证体系中已经明确提出要考虑湿热环境的影响。复合材料结构的疲劳验证过程中，需要进行充足的元件或试验试验，来确定疲劳分散性和环境影响，本文对复合材料层板环境影响下的疲劳性能研究，正是基于这个出发点，为后续复合材料结构的部件疲劳试验环境影响提供支持。

3 环境影响下的疲劳性能试验

选用碳纤维织物和碳纤维单向带两种类型的复合材料层板结构进行疲劳性能试验。试验环境如表1所示，试验件数量及试验项目如表2所示。

碳纤维织物层板和碳纤维单向带层板的试验件尺寸大小相同，如图1所示。

试验过程中，对需要进行湿热环境的试验件进行预浸，预浸过程在预浸环境箱中进行。碳纤维织物层板试验件和碳纤维单向带层板试验件分别进行标准环境下拉-压疲劳试验和湿热环境下的拉-压疲劳试验。完成106次循环后的试验件处理成干态并冷却至室温后，再进行剩余强度压缩试验。

开孔压缩强度按下列公式进行计算。

式中：-开孔压缩强度，MPa；-破坏载荷，KN；-毛界面面积（忽略孔），mm2。

通过名义孔径对压缩强度进行修正。

式中：-修正后的压缩强度，MPa；-实际孔径大小，mm；D-名义孔径大小，mm。

4 试验结果及分析

通过试验，最终得到碳纤维织物和单向带层板的破坏载荷以及修正后的压缩强度，湿热环境和标准环境疲劳后剩余强度的对比如表3所示。

用ABAQUS对试件进行理论分析，根据已有的几何尺寸建立有限元模型，计算得到试验件的失效模式。理论计算得出破坏载荷与试验载荷基本一致，碳纤维织物和碳纤维单向带层板试验件的基体破坏模式分别如图2、图3所示。

试验结果及分析可以表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板疲劳寿命的影响可以忽略。在碳纤维复合材料全尺寸疲劳试验中，可以忽略湿热环境对疲劳寿命的影响。

5 结语和展望

本文针对碳纤维复合材料层板湿热环境下的疲劳性能进行了研究，给出了结论。对于金属材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法进行疲劳分析。然而，对于复合材料结构疲劳分析多是理论模型，缺乏有效的工程计算方法，这将会是复合材料疲劳分析的重要研究方向。

参考文献

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2] 沈军，谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展[J].玻璃钢/复合材料，2006，（5）：48-52.

[3] Rebecca A.Atadero，Vistasp M.Karbhari，Calibration of resistance factors for reliability based design of externally-bonded FRP composites[J]. Composites Part B，2008（6）：665-679.

[4] Marouani S，Curtil L，Hamelin P.Composites realized by hand lay-up process in a civil engineering environment initial properties and durability[J]. Materials and structures，2008，（6）：831-851.

[5] 张阿樱，张东兴，李红地，等.碳纤维/环氧树脂层压板疲劳性能研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2010（6）：70.

[6] 中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2004，6.

[7] 金晖.民用飞机复合材料结构静力试验环境因子确定方法研究[J].民用飞机设计与研究，2012（S1）：34-37.

[8] 宋磊磊，李嘉禄.纤维增强复合材料疲劳性能研究进展[J].科技创新导报，2010（3）：4.endprint

摘 要：该文针对碳纤维复合材料层板结构，分别进行标准环境下和湿热环境下的疲劳试验，对完成规定疲劳寿命的层板试验件进行剩余强度试验，分析了碳纤维复合材料层板结构的破坏模式。试验结果表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板结构的疲劳性能基本无影响，并对复合材料结构疲劳性能的后续研究进行了展望。

关键词：复合材料 湿热环境 疲劳性能

中图分类号：V258 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纤维复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料，其密度小、比强度和比模量高、耐疲劳、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，一经问世就显示了强大的生命力。作为一种先进的航空航天材料，其越来越广泛地应用于航空航天等高技术领域[1-4]。飞机复合材料结构在整个服役期间，反复作用的疲劳载荷是内部构件承受的主要载荷[5]。同时，湿热环境将会影响复合材料基体的玻璃化转变温度，从而影响复合材料的力学性能。因此，在复合材料层板结构的设计、试验验证中需要考虑环境的影响。本文针对复合材料层板结构在湿热环境的疲劳性能进行了研究。

1 复合材料结构的疲劳特性

复合材料结构疲劳特性与金属结构的疲劳特性有较大差别。

金属结构对疲劳一般比较敏感，特别是含缺口结构受拉拉疲劳时，其疲劳强度会急剧下降，但复合材料一般都有优良的耐疲劳性能。对于碳纤维复合材料层板，在拉-拉疲劳下，它能在最大应力为80%极限拉伸强度的载荷下经受106次循环。在拉-压或压-压疲劳下，其疲劳强度略低一些，但106次循环对应的疲劳强度一般约为相应静强度的50%。特别是压-压疲劳下含冲击损伤试验在106次循环对应的疲劳强度，一般不低于相应静强度的60%[6]。由于目前复合材料结构设计许用值主要取决于损伤容限许用值，在这样的应变水平下，通常复合材料结构具有无限寿命，这就是“静力覆盖疲劳”的含义。

复合材料结构设计师通常利用材料的疲劳门槛值，来简化复合材料层板结构的疲劳设计过程。复合材料结构通常按照疲劳损伤无扩展的概念来进行设计。

2 复合材料结构的环境影响

碳纤维复合材料由基体材料和碳纤维增强材料组成。其中碳纤维增强体在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体起配合作用，支持和固定碳纤维，改善复合材料的性能。

通常情况下，除了极高的温度，一般都不考虑湿热对金属强度的影响。但复合材料结构则必须考虑湿热环境的影响。碳纤维复合材料的树脂基体是吸湿的，随着吸湿扩展，会使结构出现不同的吸湿量分布。这样，不仅会降低碳纤维的抗腐蚀阻力，还会使基体的玻璃化转变温度降低，从而引起由基体控制的力学性能，如压缩、剪切等性能的下降，影响其强度和刚度。

复合材料结构对湿热环境敏感，湿热环境将会影响复合材料层板的物理性能、力学性能和破坏模式[7]。因此，在复合材料结构的选材、设计和验证过程中都要考虑湿热环境的影响。目前，在复合材料结构的“积木式”试验验证体系中已经明确提出要考虑湿热环境的影响。复合材料结构的疲劳验证过程中，需要进行充足的元件或试验试验，来确定疲劳分散性和环境影响，本文对复合材料层板环境影响下的疲劳性能研究，正是基于这个出发点，为后续复合材料结构的部件疲劳试验环境影响提供支持。

3 环境影响下的疲劳性能试验

选用碳纤维织物和碳纤维单向带两种类型的复合材料层板结构进行疲劳性能试验。试验环境如表1所示，试验件数量及试验项目如表2所示。

碳纤维织物层板和碳纤维单向带层板的试验件尺寸大小相同，如图1所示。

试验过程中，对需要进行湿热环境的试验件进行预浸，预浸过程在预浸环境箱中进行。碳纤维织物层板试验件和碳纤维单向带层板试验件分别进行标准环境下拉-压疲劳试验和湿热环境下的拉-压疲劳试验。完成106次循环后的试验件处理成干态并冷却至室温后，再进行剩余强度压缩试验。

开孔压缩强度按下列公式进行计算。

式中：-开孔压缩强度，MPa；-破坏载荷，KN；-毛界面面积（忽略孔），mm2。

通过名义孔径对压缩强度进行修正。

式中：-修正后的压缩强度，MPa；-实际孔径大小，mm；D-名义孔径大小，mm。

4 试验结果及分析

通过试验，最终得到碳纤维织物和单向带层板的破坏载荷以及修正后的压缩强度，湿热环境和标准环境疲劳后剩余强度的对比如表3所示。

用ABAQUS对试件进行理论分析，根据已有的几何尺寸建立有限元模型，计算得到试验件的失效模式。理论计算得出破坏载荷与试验载荷基本一致，碳纤维织物和碳纤维单向带层板试验件的基体破坏模式分别如图2、图3所示。

试验结果及分析可以表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板疲劳寿命的影响可以忽略。在碳纤维复合材料全尺寸疲劳试验中，可以忽略湿热环境对疲劳寿命的影响。

5 结语和展望

本文针对碳纤维复合材料层板湿热环境下的疲劳性能进行了研究，给出了结论。对于金属材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法进行疲劳分析。然而，对于复合材料结构疲劳分析多是理论模型，缺乏有效的工程计算方法，这将会是复合材料疲劳分析的重要研究方向。

参考文献

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2] 沈军，谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展[J].玻璃钢/复合材料，2006，（5）：48-52.

[3] Rebecca A.Atadero，Vistasp M.Karbhari，Calibration of resistance factors for reliability based design of externally-bonded FRP composites[J]. Composites Part B，2008（6）：665-679.

[4] Marouani S，Curtil L，Hamelin P.Composites realized by hand lay-up process in a civil engineering environment initial properties and durability[J]. Materials and structures，2008，（6）：831-851.

[5] 张阿樱，张东兴，李红地，等.碳纤维/环氧树脂层压板疲劳性能研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2010（6）：70.

[6] 中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2004，6.

[7] 金晖.民用飞机复合材料结构静力试验环境因子确定方法研究[J].民用飞机设计与研究，2012（S1）：34-37.

[8] 宋磊磊，李嘉禄.纤维增强复合材料疲劳性能研究进展[J].科技创新导报，2010（3）：4.endprint

摘 要：该文针对碳纤维复合材料层板结构，分别进行标准环境下和湿热环境下的疲劳试验，对完成规定疲劳寿命的层板试验件进行剩余强度试验，分析了碳纤维复合材料层板结构的破坏模式。试验结果表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板结构的疲劳性能基本无影响，并对复合材料结构疲劳性能的后续研究进行了展望。

关键词：复合材料 湿热环境 疲劳性能

中图分类号：V258 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0076-02

碳纤维复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料，其密度小、比强度和比模量高、耐疲劳、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，一经问世就显示了强大的生命力。作为一种先进的航空航天材料，其越来越广泛地应用于航空航天等高技术领域[1-4]。飞机复合材料结构在整个服役期间，反复作用的疲劳载荷是内部构件承受的主要载荷[5]。同时，湿热环境将会影响复合材料基体的玻璃化转变温度，从而影响复合材料的力学性能。因此，在复合材料层板结构的设计、试验验证中需要考虑环境的影响。本文针对复合材料层板结构在湿热环境的疲劳性能进行了研究。

1 复合材料结构的疲劳特性

复合材料结构疲劳特性与金属结构的疲劳特性有较大差别。

金属结构对疲劳一般比较敏感，特别是含缺口结构受拉拉疲劳时，其疲劳强度会急剧下降，但复合材料一般都有优良的耐疲劳性能。对于碳纤维复合材料层板，在拉-拉疲劳下，它能在最大应力为80%极限拉伸强度的载荷下经受106次循环。在拉-压或压-压疲劳下，其疲劳强度略低一些，但106次循环对应的疲劳强度一般约为相应静强度的50%。特别是压-压疲劳下含冲击损伤试验在106次循环对应的疲劳强度，一般不低于相应静强度的60%[6]。由于目前复合材料结构设计许用值主要取决于损伤容限许用值，在这样的应变水平下，通常复合材料结构具有无限寿命，这就是“静力覆盖疲劳”的含义。

复合材料结构设计师通常利用材料的疲劳门槛值，来简化复合材料层板结构的疲劳设计过程。复合材料结构通常按照疲劳损伤无扩展的概念来进行设计。

2 复合材料结构的环境影响

碳纤维复合材料由基体材料和碳纤维增强材料组成。其中碳纤维增强体在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体起配合作用，支持和固定碳纤维，改善复合材料的性能。

通常情况下，除了极高的温度，一般都不考虑湿热对金属强度的影响。但复合材料结构则必须考虑湿热环境的影响。碳纤维复合材料的树脂基体是吸湿的，随着吸湿扩展，会使结构出现不同的吸湿量分布。这样，不仅会降低碳纤维的抗腐蚀阻力，还会使基体的玻璃化转变温度降低，从而引起由基体控制的力学性能，如压缩、剪切等性能的下降，影响其强度和刚度。

复合材料结构对湿热环境敏感，湿热环境将会影响复合材料层板的物理性能、力学性能和破坏模式[7]。因此，在复合材料结构的选材、设计和验证过程中都要考虑湿热环境的影响。目前，在复合材料结构的“积木式”试验验证体系中已经明确提出要考虑湿热环境的影响。复合材料结构的疲劳验证过程中，需要进行充足的元件或试验试验，来确定疲劳分散性和环境影响，本文对复合材料层板环境影响下的疲劳性能研究，正是基于这个出发点，为后续复合材料结构的部件疲劳试验环境影响提供支持。

3 环境影响下的疲劳性能试验

选用碳纤维织物和碳纤维单向带两种类型的复合材料层板结构进行疲劳性能试验。试验环境如表1所示，试验件数量及试验项目如表2所示。

碳纤维织物层板和碳纤维单向带层板的试验件尺寸大小相同，如图1所示。

试验过程中，对需要进行湿热环境的试验件进行预浸，预浸过程在预浸环境箱中进行。碳纤维织物层板试验件和碳纤维单向带层板试验件分别进行标准环境下拉-压疲劳试验和湿热环境下的拉-压疲劳试验。完成106次循环后的试验件处理成干态并冷却至室温后，再进行剩余强度压缩试验。

开孔压缩强度按下列公式进行计算。

式中：-开孔压缩强度，MPa；-破坏载荷，KN；-毛界面面积（忽略孔），mm2。

通过名义孔径对压缩强度进行修正。

式中：-修正后的压缩强度，MPa；-实际孔径大小，mm；D-名义孔径大小，mm。

4 试验结果及分析

通过试验，最终得到碳纤维织物和单向带层板的破坏载荷以及修正后的压缩强度，湿热环境和标准环境疲劳后剩余强度的对比如表3所示。

用ABAQUS对试件进行理论分析，根据已有的几何尺寸建立有限元模型，计算得到试验件的失效模式。理论计算得出破坏载荷与试验载荷基本一致，碳纤维织物和碳纤维单向带层板试验件的基体破坏模式分别如图2、图3所示。

试验结果及分析可以表明，湿热环境对碳纤维复合材料层板疲劳寿命的影响可以忽略。在碳纤维复合材料全尺寸疲劳试验中，可以忽略湿热环境对疲劳寿命的影响。

5 结语和展望

本文针对碳纤维复合材料层板湿热环境下的疲劳性能进行了研究，给出了结论。对于金属材料，工程上多采用DFR方法或IQF方法进行疲劳分析。然而，对于复合材料结构疲劳分析多是理论模型，缺乏有效的工程计算方法，这将会是复合材料疲劳分析的重要研究方向。

参考文献

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2] 沈军，谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展[J].玻璃钢/复合材料，2006，（5）：48-52.

[3] Rebecca A.Atadero，Vistasp M.Karbhari，Calibration of resistance factors for reliability based design of externally-bonded FRP composites[J]. Composites Part B，2008（6）：665-679.

[4] Marouani S，Curtil L，Hamelin P.Composites realized by hand lay-up process in a civil engineering environment initial properties and durability[J]. Materials and structures，2008，（6）：831-851.

[5] 张阿樱，张东兴，李红地，等.碳纤维/环氧树脂层压板疲劳性能研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2010（6）：70.

[6] 中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2004，6.

[7] 金晖.民用飞机复合材料结构静力试验环境因子确定方法研究[J].民用飞机设计与研究，2012（S1）：34-37.

[8] 宋磊磊，李嘉禄.纤维增强复合材料疲劳性能研究进展[J].科技创新导报，2010（3）：4.endprint