纤维增强复合材料结构的弯曲疲劳性能研究现状

刘文迪,张芝芳,王景东

(广州大学 风工程与工程振动研究中心,广东 广州 510006)

纤维增强复合材料(FRP)与传统金属材料相比,具有比模量高、比强度高、可设计性强、质量较轻以及耐腐蚀性较好等诸多优点,被广泛应用于土木工程、航空航天、绿色能源、轨道交通及汽车工程等领域。在实际工程中,复合材料结构所承受的荷载工况较为复杂,并且结构或构件的服役环境可能较为恶劣,其中,疲劳破坏是复合材料结构遭到失效、破坏的主要形式之一,因此,研究FRP的疲劳行为对FRP结构或构件的设计、使用、维护、检测和预测寿命等工作都具有重要的意义[1]。近年来,科研人员对复合材料的力学性能进行了多方面的研究,常见的有:拉伸、压缩、剪切、弯曲和冲击性能,但对弯曲疲劳行为的研究相对较少[2]。然而,弯曲疲劳在应用过程中出现的场景很多,例如:在桥梁建筑领域,FRP布被粘贴到梁构件上,以增强抗弯曲疲劳性能[3];在航空航天领域,飞机机翼在服役时,长期上下振动并承受交变弯曲疲劳荷载[4];在绿色能源和汽车领域,风力发电叶片、新能源汽车板簧等构件长期承受弯曲循环荷载[5-8]。因此,对复合材料的弯曲疲劳行为进行研究的意义重大。目前,国内外关于复合材料弯曲疲劳性能的研究主要是通过疲劳试验和数值模拟手段。对复合材料在疲劳过程中的损伤机制及强度和刚度的退化进行研究,例如Guo等[9]等研究了FRP在循环荷载作用下的刚度和承载能力退化的过程;Li等[10]和Jiang等[11]通过试验得到FRP的剩余刚度退化曲线,提出刚度退化模型来研究疲劳过程中刚度的退化规律。基于复合材料在弯曲疲劳过程中刚度和强度的退化,国内外学者提出了多种剩余强度和剩余刚度模型,并通过理论建模的方法来预测复合材料的疲劳寿命。Rens等[12]基于疲劳损伤累积模型进行建模,对FRP在变幅弯曲荷载作用下对模型寿命失效进行了预测;Gao等[13]研究了±45°铺层的FRP在不同失效概率下的疲劳剩余强度和疲劳寿命的关系;Zong等[14]和Wu等[15]等根据疲劳试验过程中剩余刚度的衰减规律,建立了“两参数”和“两阶段”模型来预测FRP疲劳寿命。廖兴升等[16]基于频率变化,预测玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的剩余疲劳寿命。近年来,国内外学者通过无损检测技术对FRP弯曲疲劳损伤检测和评估也做了大量的研究,主要有:超声检测技术、声发射检测法、红外热像技术和振动测试法[17-19]。

笔者通过收集整理,并研究复合材料弯曲疲劳行为的相关文献,首先介绍了FRP弯曲疲劳结构性能测试的研究进展;其次对不同结构种类的复合材料在弯曲疲劳试验过程中出现的破坏模式进行了归纳总结;然后通过表格的方式梳理了复合材料结构的弯曲疲劳破坏损伤机制;最后总结了目前复合材料弯曲疲劳研究领域中存在的不足,并展望了未来的研究方向。

1 复合材料弯曲疲劳结构性能测试

弯曲疲劳又称为屈挠疲劳,是材料疲劳破坏的一种形式,指材料在交变弯曲应力作用下,发生损伤乃至断裂的过程。笔者将通过文献中弯曲疲劳的加载方式、装置特点和测试流程来概述这3种不同弯曲疲劳行为,包括:三点弯曲、四点弯曲和单点变曲的性能测试。

1.1 弯曲疲劳加载方式

弯曲荷载施加方式一般分为三点弯曲、四点弯曲和单点弯曲(图1)。弯曲疲劳试验时的加载方式主要依据结构在实际应用场景中所受的荷载情况来决定。但一般采用三点弯曲的加载方式较为常见,因为其加载方式简单,夹具易得,只要跨厚比设置合适,就可以较准确地测出试件的弯曲模量和强度,能较全面地研究构件的弯曲疲劳性能。但是,由于弯曲应力分布不均匀,某些部位的缺陷可能无法突显。相对于三点弯曲,四点弯曲的特点在于:2个加载点之间的弯矩是均匀恒定的,截面一般发生均匀破坏,因此,四点弯曲试验的复合材料弯曲模量较为准确。不过,在实际应用中,承受四点弯曲荷载的结构出现较少[20]。相对上述2种加载方法,单点弯曲疲劳的相关报道较少,目前尚未形成相关的试验标准,但在现实生活中承受单点弯曲疲劳荷载的结构十分常见[21]。综上,现今复合材料弯曲疲劳试验仍然是以三点弯曲疲劳为主。单点弯曲疲劳行为研究最少,但在实际应用中出现很广,是现在需要着重研究的领域。

图1 弯曲疲劳加载方式原理Fig.1 Principle of bending fatigue loading mode

1.2 装置特点及测试流程

三点、四点弯曲疲劳试验的常用设备是万能试验机[22-25]。国内外很多学者搭配商业万能试验机和其他仪器装置,设计出了满足不同试验目的的弯曲疲劳加载装置。Michel等[26]采用伺服液压系统对复合材料进行了高周三点弯曲疲劳试验研究,结合了在线检测、激光振动测量和红外成像技术,阐述了碳纤维增强复合材料(CFRP)在弯曲疲劳过程中的失效机制。Backe等[27]利用超声波作动器,将振动通过一个助推器放大,并传送到加载装置,大大缩短了弯曲疲劳试验周期(图2)。Backe等[28]在原三点弯曲设备基础上,用固定距离的双头加载装置,代替单头加载装置研发了一种四点弯曲疲劳设备。陈超等[29]针对复合材料在三点弯曲疲劳过程中试件的升温现象,将三点弯曲设备与液氮、空气复合式冷却系统相结合,通过电压调节器调节电阻丝功率来控制导出液氮冷气量,进而控制冷却温度,在缩短试验周期的同时,也消除了试件的热效应。Adam等[30-31]优化设计了四点弯曲疲劳加载装置,使用电磁驱动器加载。该试验台包括:4个独立的四点弯曲装置、损伤检测系统和外围,在试验台上可对多个试件同时进行弯曲疲劳试验,且不会出现设备本身的疲劳问题,但是需要保持高加速度和较大的挠度来达到预期的应力水平。此外,通过设置的2个压力元件、1个激光三角仪和红外热像仪,实现了实时测量荷载、弯曲挠度和损伤监测(图3)。Yoshihara等[32]设计了一种专门针对中密度纤维板的非对称四点弯曲疲劳装置,特点是在试件的2个三分点处设置偏心支撑点,在另外2个三分点处施加荷载。

图2 Backe等[28]的弯曲疲劳装置Fig.2 Bending fatigue testing device from Backe et al[28]

图3 Adam等[30]的四点弯曲装置Fig.3 Four-point bending device from Adam et al[30]

相对于三点、四点弯曲疲劳试验,单点弯曲的研究起步较晚,有关成果也相对较少。Van Paepegem等[33-34]专门设计了一种单点弯曲疲劳试验机,通过固定转速为185 r/min的电机,带动曲柄连杆结构对试件施加单点弯曲疲劳荷载,装置施加位移的振幅是可控调节的。同时,还可以选择单侧弯曲和双向弯曲,即在一个方向上施加从0到最大的位移,或在2个反方向上施加可控的位移。该试验装置在满足单点弯曲疲劳测试要求的同时,其维护成本也相对较低(图4)。Catangiu等[35]在实验室自制了一套类似的单点弯曲疲劳试验机,主要的功能特色在于:该装置可以自定义弯曲挠度和加载频率。Kulkarni等[36]在传统的单点疲劳加载装置上加入了数据记录系统(图5)。由图5可知:通过数据记录系统显示对疲劳试验的数据监控,试验过程中可显示荷载、幅值、荷载频率和循环次数,这些数据将一直记录到试件发生疲劳失效为止。运用该装置,对GFRP进行了单点弯曲疲劳试验,并绘制出应力/寿命曲线(S-N曲线),从而进一步推导出复合材料的疲劳寿命和固有频率的经验方程。

图4 Van Paepegem等[33]的弯曲疲劳试验机Fig.4 Bending fatigue testing machine from Van Paepegem et al[33]

图5 Kulkarn等[36]的弯曲疲劳试验机Fig.5 Bending fatigue testing machine from Kulkarn et al[36]

Abo-elkhier等[37]依据金属材料拉伸的标准(ASTM/E8),使用平面弯曲疲劳试验机,对GFRP进行位移控制下的单点弯曲疲劳试验。Gude等[38]研发了一种基于剪切力激振器的弯曲疲劳试验方法,该试验装置可以降低疲劳过程中试件温度上升的影响,实现在高频状态下进行疲劳试验。该装置主要由激振器系统、偏心质量和预变形应用弹簧组成(图6)。由图6可知:弯曲试件一端被夹紧球固定,另一端自由,由激振器系统施加激励,由试件惯性引起的剪切应力可以忽略不计。

图6 剪力自由悬臂弯曲装置[38]Fig.6 Shear free cantilever bending test device[38]

1.3 弯曲疲劳试验方式对比总结

目前,国内对于FRP的疲劳研究主要集中于拉-拉疲劳、压-压疲劳和拉-压疲劳。相对于上述3种轴向疲劳行为的研究,弯曲疲劳的研究相对较少[39]。FRP在弯曲疲劳试验中对于试件的尺寸、铺设角度和施加荷载频率等还未形成相关标准。表1对文献中的测试装置、试件材料、铺层顺序、维护成本和加载频率等进行了综合对比。

表1 3种弯曲疲劳试验方法的总结对比

2 复合材料弯曲疲劳破坏模式

复合材料的弯曲疲劳破坏模式是由于疲劳损伤渐进累积表现出来的损伤形态。在弯曲交变荷载的作用下,复合材料的微观裂痕、孔隙和纤维裂纹等初始制作过程中存在的缺陷会进一步发展,演化成多种形式的损伤,当损伤达到材料承载极限时,材料会发生疲劳,继而失效、破坏,可以被观察到弯曲疲劳破坏的区域、裂纹和基体的开裂等[52-58]。复合材料在弯曲疲劳荷载作用下,通常产生4种破坏模式:基体开裂、纤维-基体脱黏、分层和纤维断裂(图7)。笔者将就不同结构种类的破坏模式进行了描述。

图7 FRP复合材料4种典型损伤模式Fig.7 Four typical damage modes of FRP composites

2.1 FRP层合结构的破坏模式

Ashin[59]通过试验发现:单向纤维增强层合板的弯曲疲劳力学主要受纤维断裂和基体断裂2种模式的影响,并建立了不同铺设角度试件的S-N曲线和疲劳破坏准则。Shikhmanter等[60]利用光学显微镜和电子显微镜,对单向层合CFRP复合材料弯曲疲劳破坏的断口形貌进行了研究后发现:弯曲破坏的断裂特征是在横向破坏面上形成明显的拉伸和压缩断裂区,破坏起源于外部整个宽度的拉伸表面(图8)。由图8可知:显微镜下弯曲断裂的部分区域,其中字母A、B分别表示拉伸断裂区和压缩断裂区;在拉伸断裂区,C表示分层;在压缩断裂区域,D表示纵向裂纹;其中,箭头表示裂缝延展的方向。廖晓玲等[61]通过扫描电镜(SEM)下FRP试件的断口形状,更详细地揭示了不同应力水平下弯曲疲劳损伤模式的区别(图9)。由图9可知:在高应力水平下(98%),纤维束和纤维被大量的从基体中拔出,试件大面积破坏;在较低应力水平下(90%),试件的纤维束整体断裂,纤维与基体之间的界面存在明显损伤,呈现脱黏现象;在更低的应力水平下(80%),断口呈阶梯状断裂,纤维被基体紧紧包裹,不存在损伤痕迹,与未疲劳前试样的断裂相似。

图8 弯曲疲劳断裂面区域[47]Fig.8 Fracture section area after bending fatigue[47]

图9 复合材料不同弯曲疲劳应力状态SEM断口形貌[48]Fig.9 SEM fracture morphology of composites under different bending fatigue stress ratios[48]

FRP层合结构的破坏模式过程为基体产生裂纹并伴随界面脱黏和分层现象;接着少量纤维出现断裂;随着纤维数量的增加,复合材料内部应力重分布,使试件薄弱处应力增大,当应力超过其承载能力时,纤维迅速断裂并发生突然破坏现象,其破坏模式主要以分层为主。

2.2 FRP蒙皮夹芯结构的破坏模式

Daniel等[62]研究了复合材料三明治夹芯结构的破坏模式和失效准则。不同破坏模式的发生主要取决于材料特性、几何尺寸和荷载的类型。加载类型决定了夹层结构的应力状态,应力状态控制着破坏的位置和模式。Daniel等[62]发明了三明治夹芯结构,在受到四点弯曲作用时,存在2种破坏模式,即:压缩破坏和表面皱褶破坏。当表面承受的压力大于等于材料的承载能力时,就会发生压缩破坏;表面皱褶破坏主要发生在刚度较低的夹芯结构。当三明治结构在受到三点弯曲或者单点弯曲作用时,结构表层受到弯曲力,而夹芯层受到剪力,主要会发生4种破坏模式:夹芯层剪切破坏、剪切和压缩联合作用下夹芯层破坏、压缩破坏和表层皱褶破坏。Belingardi等[63]通过四点弯曲试验对蜂窝夹芯-复合材料梁结构进行了疲劳性能试验。在弯曲疲劳试验中发现2种完全不同的破坏机制,即:无损试件的受压面出现局部屈曲,以及损伤试件(蜂窝夹芯与复合材料表层存在剥离)的蜂窝壁出现破坏。在试验过程中,损伤试样的试验结果均比未损伤试验的结果分散性更高。史慧媛[64]对轻木夹芯复合材料进行了四点弯曲疲劳试验,其破坏模式出现明显的延性特点,格构的设置可以有效改变夹芯部分的变化模式,格构数量越多,夹心梁的抗剥离性能越好。

FRP蒙皮夹芯结构的破坏模式特点是夹芯结构的蒙皮和子芯材料均可能产生不同程度的疲劳损伤,两者均可导致结构的承载能力的降低,而且,面板和夹芯结构界面之间很容易出现脱黏现象,严重影响其承载能力和疲劳寿命。

2.3 三维机织FRP结构的破坏模式

金利民[65]对三维机织复合材料进行了三点弯曲交变循环荷载作用下的疲劳性能测试,同时也分析了复合材料的疲劳力学响应。从疲劳破坏形态的结果可以发现:树脂开裂、纱线横向开裂与破损、树脂-纱线界面脱黏是材料弯曲疲劳破坏的主要模式(图10),主要原因是在弯曲疲劳过程中上表面主要承受压应力,下表面承受拉应力,材料厚度方向上层间应力的不同导致在树脂和纱线的界面发生脱黏现象。张雪飞等[66]研究了复合材料三维机织锯齿形结构的弯曲疲劳,通过三点弯曲疲劳试验详细介绍了复合材料的破坏模式。通过试验给出的弯曲破坏形态(图11)发现:试件上表面在压力作用下向下凹陷,并未发生压缩破坏;下表面受拉力作用,但玄武岩纤维具有高强性能,所以未发生破坏,但层与层之间由于受到压缩作用向外突出导致纤维和基体脱离。因此,这种锯齿形三维机织复合材料的弯曲破坏模式主要是以纤维和基体发生分离为主。汪金花[67]对三维正交机织复合材料进行了不同应力状态下的三点弯曲疲劳试验,结果显示:随着弯曲荷载次数的不断增加,材料的力学性能和承载力逐渐降低,刚度下降,损伤不断积累,最后试件发生破坏(图12)。从试件的整体破坏形态可以看出:试件的破坏主要集中在试样的中部区域,对试件的中部损伤进行观察得出三维正交机织复合材料的三点弯曲疲劳破坏模式,主要包括:纤维和纱线的断裂、树脂的破坏、纱线和树脂的脱黏和材料的分层。并且,Z纱线的通道处的经纱最容易产生应力集中和破坏。

图10 三维机织复合材料三点弯曲疲劳破坏模式结果[52]Fig.10 Three-point bending fatigue failure modes of 3D woven composites[52]

图11 锯齿形三维机织复合材料弯曲破坏形态[53]Fig.11 Failure morphology of serrated 3D woven composites under bending loading[53]

图13 裂纹密度和刚度退化的相关曲线[72]Fig.13 Correlation curves of crack density and stiffness degradation[72]

图14 60%应力水平下的弯曲疲劳数据[77]Fig.14 Bending fatigue data at 60% stress level[77]

图15 赵玉卿等[81]的加载装置及试件破坏样貌Fig.15 Loading device and specimen damage appearance from Zhao et al[81]

图16 刚度弱化过程[84]Fig.16 Stiffness weakening process[84]

机织结构的破坏模式除了上述2种结构中存在的界面脱黏、分层和纤维断裂之外,还存在纱线和树脂界面之间的脱黏分层现象以及纱线的断裂。

综上而言,复合材料的弯曲疲劳破坏模式由于材料特性、几何尺寸和加载类型的不同,会产生不同的破坏模式,但主要的损伤情况一般是基体开裂、纤维-基体脱黏、分层和纤维断裂等几种模式在一种或多种损伤共同耦合作用下产生的。不同材料和结构的弯曲疲劳破坏模式相同之处在于:基体开裂和分层一般发生在疲劳周期的早期,而纤维-基体脱黏和断裂存在弯曲疲劳的整个过程,最终多种损伤模式的耦合累积,导致了试件失效。不同之处在于:FRP层合结构的弯曲破坏模式主要是以界面脱黏和分层为主;FRP蒙皮夹芯结构破坏模式的特点是蒙皮和子芯材料在疲劳过程中都会造成不同程度的破坏;机织结构的破坏模式主要在每阶段都伴随着纱线的断裂和树脂的脱黏。

3 复合材料弯曲疲劳损伤机制

复合材料因非均匀性和各向异性的特点,在弯曲疲劳过程中的损伤机制非常复杂。与各向同性材料(如:金属)不同,其损伤机制不是由主要的单一裂纹造成的,而是在弯曲疲劳加载过程中对试件的高应力区造成广泛破坏,从而导致材料的整体退化,最终导致材料失效[68]。对复合材料弯曲疲劳损伤机制进行研究,不仅可以对疲劳破坏模式有更深的理解,而且对复合材料弯曲疲劳的损伤检测和寿命预测都有重要的意义。当前,研究复合材料领域的学者已为其损伤机制的研究做了大量的研究工作,笔者从材料、研究方法和得到的主要结论进行总结(表2),在此基础上进一步总结出复合材料弯曲疲劳损伤机制的普遍规律[69]。

近几年,国内外学者对复合材料的弯曲疲劳损伤机制的探讨主要通过试验和有限元2种方法,但是由于材料本身的复杂性、破坏模式的多样性、测试方法和试验条件局限性等因素的影响,对复合材料弯曲疲劳损伤机制的研究目前仍处于探索阶段,尚未形成系统和成熟的理论。试验方面通过刚度的退化,裂纹的扩展等试验现象描述了疲劳损伤机制;数值模拟方面通过建立弯曲疲劳模型进一步阐述疲劳损伤机制。除此之外,在试验观察方面,借助无损检测的方法研究弯曲疲劳损伤机制已成为主流,通过进行实时和智能化的处理和分析疲劳损伤部位,进而总结出弯曲疲劳损伤过程的物理属性变化[70-72]。相信随着这些方法和试验的不断完善,复合材料弯曲疲劳损伤机制的研究将会更加系统和专业。

4 结论与展望

从FRP的弯曲疲劳试验原理、试验装置、破坏模式和损伤机制等方面综述了国内外关于复合材料在弯曲疲劳领域的研究进展,以下3点是对相关研究现状的总结和未来趋势的展望:

1)相对于复合材料的轴向疲劳,国内外对于弯曲疲劳的问题研究较少,尤其是单点弯曲疲劳行为的研究还十分不足,目前尚没有复合材料单点弯曲疲劳的测试标准,相应的单点弯曲疲劳测试设备也主要由研究者自行设计,后续可针对单点弯曲疲劳测试累计试验数据和相关测试标准,同时加强对单点弯曲疲劳设备的研发。

2)对疲劳行为的研究要重视对疲劳数据的处理,目前疲劳试验数据较多,将弯曲疲劳工作同算法和大数据技术连接起来显得尤为重要,不仅有利于解决复杂的数据处理和寿命预测难题,也有利于满足高端工业领域机械结构的全寿命预测和结构的安全保障。

3)针对复合材料弯曲疲劳荷载下的结构修复技术也是未来发展的一大热点,我国的复合材料修复技术相较于美国、日本等发达国家起步较晚,因此,在未来针对复合材料疲劳修复技术方面需投入更多的人力、物力,以推动复合材料修复技术朝着标准化、智能化和低成本方向发展。