基于能量耗散法的CF/PEEK-钛混合层合板冲击后的疲劳行为研究及理论寿命预测

   金属纤维层合板(FMLs) 在航空航天、汽车等轻量化运输领域具有广阔的应用前景。FMLs在制造和服役过程中产生的缺陷和损伤可能会使其抗疲劳性能下降进而显著降低其使用寿命并增加故障概率，评估初始冲击损伤对FMLs剩余疲劳寿命的影响并深入探究影响机制对FMLs的工程应用具有重要意义。近日，哈尔滨工业大学的学者提出了基于能量耗散法的层合板冲击后的疲劳寿命模型，以预测层合板在不同初始冲击能和应力比下的S-N曲线（图1）。图1不同最大应力水平下初始冲击损伤试样的剩余疲劳寿命     复合材料疲劳寿命预测方法大致可分为三类：基于实验数据的疲劳寿命模型（S-N曲线、机器学习等）、唯象模型（残余强度/刚度模型等）和渐进损伤模型。由于FMLs在冲击后的损伤机制非常复杂，使用S-N曲线或机器学习预测剩余寿命需要大量的实验且结果难以推广；传统的残余强度/刚度模型并未考虑FMLs在疲劳过程中的变形特征（图2）；而渐进损伤模型在研究冲击后疲劳行为时则需引入一系列材料的损伤和性能退化准则，这将使模型变得极为复杂。综上所述，从能量的角度预测FMLs的冲击后剩余疲劳寿命或是一种有效且可行的方法，可基于简洁、明确的概念对复杂的冲击后疲劳损伤机理进行深入分析。图2代表性工况下初始冲击损伤试样的轴向应变演化     本文针对工程应用中典型的冲击后疲劳使用工况，基于能量耗散法提出了FMLs在不同初始冲击能和应力比下的疲劳寿命模型。通过大量的冲击后疲劳试验，分析不同条件下FMLs的能量耗散行为以确定了初始冲击损伤与疲劳耗散总能量的相关性（图3）。利用数字图像相关(DIC)技术，从初始冲击能和最大应力两方面表征了试样的全场轴向应变分布并总结、分析了FMLs的冲击后疲劳破坏机理。最后，通过其他应力比和冲击能条件下的疲劳试验验证了模型的有效性。图3 滞回环面积示意图     结果表明：冲击损伤显著降低了CF/PEEK-钛混合层合板的残余疲劳寿命，受冲击影响，层合板在受载过程中表面的轴向应变分布相较于完好试样的发生了改变，冲击损伤对层合板残余疲劳寿命的影响主要可能源于冲击变形引起的局部应力集中、纤维分层与断裂以及凹陷对残余应力场的放大效应。此外，由于与疲劳寿命相关的参数演化规律具有天然的幂律关系(Power law nature)，因此总耗散能量密度对最大应力和疲劳寿命的依赖关系可基于幂律模型描述，模型参数的确定如图4所示。该模型能较好地预测不同初始冲击能、最大应力和应力比下CF/PEEK-钛混合层合板的冲击后疲劳寿命。通过与其他应力比和初始冲击能的实验结果比较，预测结果大都分布在2倍误差分散带范围内（图5）。图4 代表性工况下：(a) 总耗散能量随最大应力工况的演化规律；(b) 总耗散能量密度随失效寿命的演化图5 (a) 试样在不同应力比和最大应力下的剩余疲劳寿命分布；(b) 预测疲劳寿命与实验疲劳寿命的对比     综上所述，本文所提模型中只有一个与材料相关的拟合参数，这意味着只需一组S-N曲线数据即可准确预测层合板的冲击后疲劳寿命，其可靠性与易用性说明能量耗散法有潜力成为剩余疲劳寿命预测的重要方法之一。对于软材料或软粘接结构，其在疲劳工况下的能量耗散行为将更为复杂，可能需要进一步考虑多个机制（氢键、分子网络内摩擦及疏水缔合等）共同影响所表现出的非线性黏弹耗散。在此模型基础上对黏弹耗散进行修正将有助于通过能量耗散法深入分析软材料或软粘接结构的疲劳失效机理。相关研究论文以“On the post-impact fatigue behavior and theoretical life prediction of CF/PEEK-titanium hybrid laminates using an energy dissipation approach”为题发表在《Composites Science and Technology》。全文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110354