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摘要：文章提出了一種考慮疲勞和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型，適用于高溫循環載荷下的碳纖維增強復合材料。該模型考慮了溫度對蠕變損傷的影響、不同高溫循環載荷條件下蠕變損傷的變化以及疲勞-蠕變交互損傷。此外，為了準確描述不同取向的單向層壓板的蠕變行為，還分析了單向層壓板的損傷機理。不同溫度下的蠕變和疲勞試驗結果表明，所提出的蠕變斷裂時間模型和考慮損傷機理的疲勞-蠕變損傷模型能夠成功地預測高溫下單向層壓板的蠕變和疲勞壽命，預測結果與實驗數據吻合良好。

一、引言

碳纖維增強復合材料（CFRP）因其優異的性能被廣泛應用于航空航天、燃氣輪機等領域。然而，在高溫環境下，CFRP 會經歷疲勞和蠕變損傷，這對其使用壽命造成嚴重影響。因此，建立能夠準確預測 CFRP 在高溫循環載荷下壽命的模型至關重要。目前，研究人員已經開發了多種預測 CFRP 蠕變斷裂時間和疲勞壽命的方法，但大多數模型沒有充分考慮溫度對損傷機制的影響，以及疲勞損傷和蠕變損傷之間的相互作用。

近日，《Composites Science and Technology》期刊發表了一篇由北京工業大學和沈陽飛機設計研究所、國家納米科學中心的研究團隊完成的有關高溫循環載荷下碳纖維增強復合材料的疲勞-蠕變損傷模型的研究成果。該研究提出了一種考慮疲勞和蠕變損傷相互作用的高溫循環載荷下碳纖維增強復合材料的疲勞-蠕變損傷模型，并驗證了其在預測高溫下單向層合板壽命方面的有效性。論文標題為“Fatigue-creep damage model for carbon fibre reinforced composites under high temperature cyclic loading”。

二、內容簡介

研究主要針對不同纖維取向的單向碳纖維/環氧樹脂層合板，在室溫和高溫下的拉伸和蠕變行為進行了深入研究。通過建立考慮不同損傷模式（纖維主導型和基體主導型）的力學性能退化模型，以及基于歸一化蠕變應力的蠕變斷裂時間預測模型，消除了纖維取向對蠕變斷裂強度的影響。最終，建立了考慮疲勞損傷和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型，實現了對任意取向的單向層合板在高溫復雜載荷下壽命的有效預測。

研究通過進行不同溫度下單向層合板的拉伸、疲勞和蠕變試驗，獲得了相關的力學性能數據。基于試驗數據，建立了考慮不同損傷模式的力學性能退化模型和蠕變斷裂時間預測模型。采用線性損傷累積和非線性損傷累積方法，建立了考慮疲勞損傷和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型。最后，通過試驗數據驗證了所提出的模型的準確性。

圖1  單向層壓板示意圖。

圖2  單向層壓板拉伸試樣的幾何形狀。

圖3  單向層壓板的宏觀破壞形式：a）0?；b） 15?；c） 45?；d） 90?。

研究結果表明，溫度對不同損傷模式的單向層合板性能的影響存在差異，纖維主導型和基體主導型的性能退化模型可以有效地預測不同取向的單向層合板在高溫下的靜態強度。歸一化蠕變應力可以消除纖維取向對蠕變斷裂強度的影響，提出的蠕變斷裂時間預測模型可以成功地預測高溫下單向層合板的蠕變斷裂時間。此外，考慮疲勞損傷和蠕變損傷相互作用的疲勞-蠕變損傷模型可以合理地預測任意取向的單向層合板在高溫復雜載荷下的壽命，預測結果與試驗數據吻合良好。

圖4  蠕變損傷計算細分方法示意圖。

圖5  單向層壓板在200℃下蠕變斷裂時間的預測結果。

原始文獻：

Guo, Y., Shang, D., Zuo, L., Qu, L., & Chen, C. (2024). Fatigue-creep damage model for carbon fibre reinforced composites under high temperature cyclic loading. Composites Science and Technology, 258, 110909.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110909