超声对cfrp复合材料损伤演化过程的研究

超声对cfrp复合材料损伤演化过程的研究

碳树脂基材料（cfrp）具有强度高、模型高、耐劳性好、系数和磨损率低、导电和导电性好等优点，在航空航天领域得到了广泛应用。在实际使用中，比起飞行过程中的鸟撞、或者受到炮弹打击等这种小概率的事件，复合材料结构部件往往更怕的是在外表上没有任何损伤表征的预兆下，其内部却存在着足以导致其发生灾难性破坏的缺陷或裂纹。而这种缺陷或裂纹是随着结构部件服役寿命的增加而不为人知地、悄悄地出现的。因此，对超高周次循环振动下CFRP的疲劳破坏问题的研究越来越受到重视。最近几年，CFRP超高周疲劳问题得到了世界各国学者广泛的研究，已经成为疲劳领域新的研究热点。Hosoi等相较于国外，中国对于CFRP的研究大多数集中于静载荷或低周循环，还鲜见开展超高周疲劳问题的试验研究，这与其重要应用现状和前景的要求很不相符。应尽早开展中国CFRP超高周疲劳相关科学研究，探索其在超高周疲劳载荷作用下的损伤机理，将对未来复合材料在中国先进飞机和高推重比发动机的设计和制造具有重要的战略意义。基于此，本文利用超声三点弯曲试验系统对CFRP开展了高周、超高周疲劳试验。对发生高周、超高周疲劳破坏的试样开展了显微观察，阐述了CFRP超高周疲劳特性。结合低周、高周试验结果，对比分析了低周、高周、超高周疲劳破坏形貌，研究了CFRP试样的超高周疲劳损伤演化过程。1试验材料和方法1.1材料层：ht3/层本文采用航空科工武汉磁电公司提供的碳纤维/环氧树脂基（HT3/5224）复合材料为研究对象，该材料层排布为[45°/0°/-45°]，采用热压成型，纤维体积分数为56%，孔隙率为3%，密度为1.45g/cm1.2超声疲劳试验系统超声疲劳试验是一种基于谐振的疲劳试验方法，其试验频率处于超声波频率范围，典型试验频率为20kHz，试验循环时间到达10本文所用超声疲劳试验系统包括压电转换器、连接杆、变幅杆、压头、光纤位移传感器、承力装置、底座以及测控装置1.3试验过程及试验结果根据超声疲劳振动原理以及复合材料的特性，基于线弹性变形的理论，结合三点弯曲疲劳试样的设计方法利用MATLAB编辑程序计算后代入仿真分析中得到试件的4阶共振频率ω=20116Hz。图4为试样加载示意图，应力比R=0.35。试验开始时，采用微机控制电子万能试验机通过压头对试件施加静载荷。在试验过程中，采用MTI-2100型光纤位移传感器对试件底部位移进行测量，其精度为0.1μm，采用峰-峰值档。正常试验时共振频率为20±0.5kHz，使试样发生弯曲共振，位移值基本保持不变；当频率急剧下降到19.5kHz以下，位移值产生较大变化时，系统自动停止试验，此时可判断试件发生破坏。由计算机控制系统记录试验过程中设定的应力幅值和发生断裂时试样的循环周次。试验过程中，采用便携式显微镜对CFRP试样的纵截面进行跟踪观察，以获取原位观察结果。采用液氮冷却装置对试样表面进行冷却，并用T620型红外热像仪监控试样温度以确保试验的正常开展。2结果与讨论2.1s-n曲线根据公式σ可见，循环周次小于102.2超高周疲劳破坏形式文献通过改变试样上加载的应力本文开展了CFRP的高周、超高周疲劳试验，通过显微观察得到试样破坏形貌。图7(a）为发生高周疲劳下的破坏形貌。当发生高周疲劳破坏时，试样裂纹萌生于层界面，并进行扩展。具体为，随着循环周次的增加，存在于层界面的缺陷被激活，层界面结合力逐渐减弱，从而分层开始萌生并沿着层界面扩展，扩展至试件薄弱处时产生应力集中，扩展出现转向，从而演变为横向裂纹，最终导致试件疲劳破坏，破坏形式主要表现为分层。图7(b）为发生超高周疲劳破坏下的形貌。发生超高周疲劳破坏时，形貌特性和低周、高周存在较大差异。在低幅低载荷作用下，振动的往复微动挤压使得基体薄弱处产生破坏，较低的应力幅值却不足以使得缺陷进一步扩展，试件表面不再出现分层、横向裂纹现象，转而表现出孔蚀的疲劳特性。综上所述可得，试件的破坏形貌由低周疲劳的横向裂纹萌生，到高周疲劳的分层萌生，向超高周疲劳的孔蚀形貌逐渐演变，是由于应力幅的减少，基体强度薄弱处的缺陷发生不同的扩展。2.3近纤维束平行段破坏机理图8为R=0.35时，不同周次N下的CFRP超高周疲劳损坏形貌。从图中可以看出，CFRP超高周疲劳试样存在3种不同的损伤形貌：纤维束交叉处基体损坏（Ⅰ类，如图8(a）所示）、近纤维束平行段基体空洞（Ⅱ类，如图8(b）所示）、基体贯穿（Ⅲ类，如图8(c）所示）。其中纤维束交叉处基体损坏形貌，产生于纤维束交叉处，该处由于纤维的交叉，材料结合力有所降低，导致破坏易于产生；近纤维束平行段基体空洞形貌，上下两纤维束距离较小，对基体的影响增大，导致此处基体相对薄弱，容易产生破坏；基体贯穿形貌处于纤维束间距较大的基体上，尺寸相对较大。图9为同一视场下CFRP的疲劳损伤演化过程。可以看出，在N=7.61×10基于上述观察，说明CFRP疲劳损伤形貌产生条件存在不同，从而导致形貌的产生具有先后顺序；即随着加载周次的增多，试样产生的疲劳损伤形貌是有次序呈现出来的，具体为纤维束平行段基体空洞先于近纤维束平行段基体空洞，近纤维束平行段基体空洞先于基体贯穿。3cfrp超高周疲劳破坏特征1）结合三点弯曲疲劳试样的设计方法设计CFRP试样，并利用ABAQUS建模及仿真分析，并采用超声加载的方式开展高周、超高周三点弯曲疲劳试验，大大缩短试验周期，提高试验效率。2）绘制CFRP的S-N曲线，呈现出阶梯形状。对发生超高周疲劳破坏的试样开展显微观察分析，总结得到CFRP超高周疲劳破坏呈现出孔蚀的特征形貌。3）结合文献，对比分析了CFRP低周、高周、超高周疲劳破坏形貌，得出试件的破坏形貌演变是应力