单向复合材料层合板的多轴失效行为和疲劳寿命预测

      复合材料因其出色的力学性能和广泛的应用领域而受到广泛关注。然而，复合材料在多轴应力状态下的疲劳寿命预测一直是一个具有挑战性的问题，涉及多种失效模式和损伤机制的耦合。传统的疲劳寿命预测模型往往难以准确捕捉复合材料在多轴应力下的复杂失效行为。目前，已经有一些研究致力于开发复合材料的多轴疲劳寿命预测模型。然而，这些模型往往基于复杂的理论和算法，难以实际应用。此外，现有的模型往往忽略了自然复合材料失效特性对复合材料疲劳寿命的影响，导致预测结果不够准确。因此，发展一种基于自然复合材料失效特性的复合材料多轴疲劳寿命预测模型具有重要意义。

      近日,TOP期刊《Composites Science and Technology》发表了南京航空航天大学在复合材料的多轴疲劳失效行为方面的研究，提出了一种基于自然复合材料失效特性的多轴疲劳寿命预测模型。论文标题为“Multiaxial failure behavior and fatigue life prediction of unidirectional composite laminates"。

      该研究通过对复合材料在多轴应力下的失效行为进行深入研究，建立了一个能够准确预测复合材料疲劳寿命的模型。研究团队制备了单向层合板试样，搭建了相应的疲劳试验装置。试验过程中，对试样施加了不同的多轴应力组合，包括拉伸-扭转复合加载等，详细记录了试样的疲劳寿命、失效模式以及损伤演化过程。为了更准确地预测复合材料的疲劳寿命，提出了一种基于天然复合材料失效经验的多轴疲劳寿命预测模型。该模型考虑了多轴应力对基体剪切失效的复杂耦合效应，并通过引入修正项对复合材料在纵向和横向应力作用下的基体剪切失效进行了描述。

     建立了相应的数值分析模型来模拟复合材料的多轴疲劳失效过程，采用了有限元方法（FEM）进行模拟分析。模拟结果表明，纵向裂纹出现后，管状试样的轴向刚度几乎没有变化，而扭转刚度显著降低约50%。这说明纵向单裂纹分裂应被包含在基本的多轴失效模式中，因为它与天然复合材料的扭转刚度大幅降低相似。   

通过多组实验验证，研究发现该预测模型能够较好地预测复合材料在多轴应力作用下的疲劳寿命。预测结果与实验数据大多在三倍范围内，表明该模型具有一定的可靠性和准确性。此外，文章还比较了该方法与传统基于应力的疲劳准则的预测精度，发现该方法在预测偏轴层合板和单向管状试样的寿命时具有更高的准确性。

该研究通过对复合材料的多轴疲劳失效行为进行深入分析，提出了一种基于自然复合材料失效特性的多轴疲劳寿命预测模型。该模型考虑了复合材料在多轴应力下的复杂失效行为，并量化了纵向应力和剪切应力对疲劳寿命的影响。通过对比实验结果和预测结果，验证了该模型的准确性和可靠性。该研究为复合材料的多轴疲劳寿命预测提供了新的思路和方法，对于推动复合材料在实际应用中的更广泛应用具有重要意义。