圖 : ?: ?@三種類型復合材料同一沖擊能量水平沖擊損傷面積比圖 : ?: ?-@三種類型復合材料沖擊后較壓縮破壞應變比較
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第四節 層合板疲勞特性
確定和評價復合材料在交變載荷作用下的性能（損傷與破壞等）是復合材料工程應用，特別是在航宇方面應用必須考慮的問題。大量研究結果表明，復合材料具有優異的疲勞性能。
一、復合材料疲勞行為特點
各向同性金屬材料在疲勞載荷作用下，可以觀察到明顯的單一主裂紋有規律的擴展。而各向異性復合材料，大量試驗結果表明，疲勞載荷作用下，表現出非常復雜的破壞機理。
復合材料本身存在有基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂等多種損傷形式。同時，復合材料對應變，特別是壓縮應變，尤為敏感。較大的施加應變將使纖維與基體變形不一致，引起基體開裂、界面脫膠乃至分層，形成疲勞源。壓縮應變將使復合材料出現縱向開裂或失穩現象，促使分層迅速擴展。復合材料層合板在疲勞載荷的作用下，上述損傷形式相繼交錯出現，并按擇優方向擴展遍及整個試樣。具體損傷出現的形式和程度，與材料性能、層合板的鋪層順序，以及疲勞加載類型等因素密切相關。復合材料與金屬材料疲勞損傷增長之間的差異可以用圖形簡略地描述。雖然復合材料的初始缺陷比金屬材料大，然而多種損傷形式和增強纖維的牽制作用使復合材料疲勞行為呈現出很好的斷裂韌性和低的缺口敏感性，因而有較大的臨界損傷尺寸。
復合材料疲勞應力一壽命曲線（ "—）曲線平坦，疲勞門檻值高。但是，壽命分散性大，而且一般僅有條件疲勞極限。同時，復合材料疲勞性能和其靜強度性能一樣，易受環境（濕 熱）、沖擊損傷等影響。
二、疲勞損傷機理與疲勞壽命圖
這里介紹拉伸疲勞損傷機理與疲勞壽命圖。
單向復合材料正軸拉伸疲勞時，基體內首先形成分散的橫向裂紋，而后在纖維斷裂處形成局部的裂紋擴展、界面脫膠。由于纖維損傷引起的基體裂紋增長，和基體裂紋擴展造成的纖維橋接，以及它們的組合情況。
三、復合材料疲勞特性
復合材料疲勞特性以應力 %壽命（ "%）關系式給出，目前常用的 "%曲線擬合方程為
&"’ () •+**•
" %"& "’ ()
式中： 和 %均為材料常數，根據試驗結果，用最小二乘法估算。
復合材料疲勞特性主要影響因素是壓縮應變和高應變（高應力）水平。因此，復合材料疲勞性能測試多進行壓一壓（ * ()）和拉一壓（ *( +）的疲勞試驗，而金屬材料一般進行 * (),的拉一拉疲勞試驗。
平均應力對 -.*/［) 0 12 0 3) 0 —12］ 疲勞強度的影響［) 0 12 0 3) 0 —12］ 層合板拉
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伸和壓縮強度相等，其等壽命曲線基本上與 *( +軸（零平均應力軸）對稱，略偏向拉伸一側。這說明，平均應力的影響是可以忽略的，或者說與拉一拉、拉一壓和壓一壓加載方式無關。而［)0 67)］5層合板拉伸強度比壓縮強度大一倍，其等壽命曲線峰值整體向拉伸方向偏移。這說明平均應力對［)0 67)］ 層合板疲勞壽命有顯著影響。
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帶切口（圓孔、裂紋）試樣疲勞數據表明：大多數復合材料層合板在整個壽命期內，有切口試樣的 &—’曲線幾乎與無切口試樣的相同，切口效應幾乎不存在。交變載荷作用下，切口邊緣的損傷緩和了切口尖端附近的 ,應力集中。因而，復合材料層合板切口試樣，有著良好的疲勞性能。甚至，疲勞加載后切口試樣的剩余強度往往會大于其切口試樣靜強度。
聚合物基體高分子材料的粘彈性，使基體對加載速率和溫度敏感。纖維的導熱性將直接影響疲勞試驗過程中試樣內的熱擴散。實驗結果表明：對于大多數碳纖維復合材料纖維控制層合板加載情況，如 )8層所占比例較大的層合板，軸向載荷疲勞情況， 9 7):;范圍內疲勞壽命基本相同，頻率影響可以忽略不計。而對于基體控制的層合板和玻璃纖維復合材料層合板，如［ 6 12］<5層合板，隨著試驗頻率的增加，試樣溫度升高明顯，疲勞壽命縮短。因此，目前疲勞試驗工作頻率多取 2:;以下，以 2:;為宜。
溫度和濕度是影響聚合物基復合材料力學性能的主要環境因素，不僅使材料固有性能（模量和強度）惡化下降，而且吸濕會降低聚合物基體的玻璃化轉變溫度。疲勞試驗結果表明： =)-32> *:試驗條件下， * (),和 疲勞載荷情況 &—’曲線比室溫、 1)> *:情況下降 )> 9 4)>。低溫對疲勞壽命的影響幾乎可以忽略（基本無影響）。
綜上所述，復合材料優異的疲勞性能，使復合材料結構壽命設計可采用“靜力覆蓋疲勞設計”的疲勞門檻值方法。
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第四章 結構設計要求、設計原則與使用環境
第一節 結構設計目標和要求
一、結構設計目標
復合材料飛機結構設計目標與金屬材料結構基本相同，可歸納為如下幾點：（"）軍用飛機結構應滿足有關規范規定的結構完整性要求；民用飛機結構應滿足
有關適航條例規定的結構設計要求。（）滿足結構設計目標壽命（飛行小時數、起落次數、日歷年，以先到期者為限）。（）復合材料結構的安全水平，不能低于同類金屬結構。（%）結構應有明顯的（"&’ ( )’或更大的）減重效果。（&）盡力降低壽命周期費用。壽命周期費用（ *+,-./.*-.012）是全面反映系統財
政資源消耗的一套綜合參數；由初步設計、方案驗證、全面研制、生產、使用和保障、退役和處置等所有相關費用的總和構成；是裝備系統最主要性能參數之一。
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