碳纤维增强复合材料（CFRP）因其优异的性能被广泛应用于航空航天、燃气轮机等领域。然而，在高温环境下，CFRP 会经历疲劳和蠕变损伤，这对其使用寿命造成严重影响。因此，建立能够准确预测 CFRP 在高温循环载荷下寿命的模型至关重要。目前，研究人员已经开发了多种预测 CFRP 蠕变断裂时间和疲劳寿命的方法，但大多数模型没有充分考虑温度对损伤机制的影响，以及疲劳损伤和蠕变损伤之间的相互作用。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由北京工业大学和沈阳飞机设计研究所、国家纳米科学中心的研究团队完成的有关高温循环载荷下碳纤维增强复合材料的疲劳-蠕变损伤模型的研究成果。该研究提出了一种考虑疲劳和蠕变损伤相互作用的高温循环载荷下碳纤维增强复合材料的疲劳-蠕变损伤模型，并验证了其在预测高温下单向层合板寿命方面的有效性。论文标题为“Fatigue-creep damage model for carbon fibre reinforced composites under high temperature cyclic loading”。
研究主要针对不同纤维取向的单向碳纤维/环氧树脂层合板，在室温和高温下的拉伸和蠕变行为进行了深入研究。通过建立考虑不同损伤模式（纤维主导型和基体主导型）的力学性能退化模型，以及基于归一化蠕变应力的蠕变断裂时间预测模型，消除了纤维取向对蠕变断裂强度的影响。最终，建立了考虑疲劳损伤和蠕变损伤相互作用的疲劳-蠕变损伤模型，实现了对任意取向的单向层合板在高温复杂载荷下寿命的有效预测。
研究通过进行不同温度下单向层合板的拉伸、疲劳和蠕变试验，获得了相关的力学性能数据。基于试验数据，建立了考虑不同损伤模式的力学性能退化模型和蠕变断裂时间预测模型。采用线性损伤累积和非线性损伤累积方法，建立了考虑疲劳损伤和蠕变损伤相互作用的疲劳-蠕变损伤模型。最后，通过试验数据验证了所提出的模型的准确性。
图1 单向层压板示意图。
图2 单向层压板拉伸试样的几何形状。
图3 单向层压板的宏观破坏形式：a）0◦；b） 15◦；c） 45◦；d） 90◦。
研究结果表明，温度对不同损伤模式的单向层合板性能的影响存在差异，纤维主导型和基体主导型的性能退化模型可以有效地预测不同取向的单向层合板在高温下的静态强度。归一化蠕变应力可以消除纤维取向对蠕变断裂强度的影响，提出的蠕变断裂时间预测模型可以成功地预测高温下单向层合板的蠕变断裂时间。此外，考虑疲劳损伤和蠕变损伤相互作用的疲劳-蠕变损伤模型可以合理地预测任意取向的单向层合板在高温复杂载荷下的寿命，预测结果与试验数据吻合良好。
图4 蠕变损伤计算细分方法示意图。
图5 单向层压板在200℃下蠕变断裂时间的预测结果。
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