间歇循环荷载作用下形状记忆合金增强复合材料的弯曲疲劳性能研究

Taking shape memory alloy reinforced composite material as objects, fatigue properties of its laminates under intermittent cyclic bending load will be conducted: Firstly, taking laminates specimen with different SMA volume fractions, fibers embedding positions and matrix as objects, the main factors affecting the fatigue properties of laminates are carried out to find out the optimal location and the optimal content of SMA embedded laminates, verifying the effectiveness of the shape memory effect of SMA to improve the bending fatigue of their SMA reinforced composite laminates under temperature conditions. Secondly, combined with the interface crack propagation experiments, mechanism of fatigue damage of laminates is revealed. Composite macroscopic constitutive model is derived, and the critical failure criteria of interface phase is given out. Thirdly, based on cumulative fatigue damage theory, fatigue life prediction methods under intermittent cyclic loading are constructed. Finally, according to the damage accumulation SEM images of the composite after different cycles, the threshold of fatigue weakening of interface between SMA and matrix is found out. Based on Murakami damage theory and combined with the fatigue prediction method, the fatigue damage evolution under different failure modes is summaried. In a word, the theoretical system of fatigue life analysis of shape memory alloy reinforced composites is established by the implementation of the project and the solid foundation of its application in the actual project is founded.

以形状记忆合金增强复合材料为研究对象，对其层合板结构进行间歇循环弯曲荷载作用下的疲劳性能进行以下研究：首先，对不同SMA体积分数、嵌入位置和基体材料的层合板试件系统地进行间歇循环疲劳实验，分析影响层合板疲劳特性的主要因素，找出SMA嵌入层合板的最优位置和最优含量，验证温度作用下SMA形状记忆效应改善其增强复合材料层合板弯曲疲劳的有效性。其次，结合间歇荷载下的界面裂纹扩展实验，揭示疲劳损伤机理；推导复合材料宏观本构模型，给出界面相临界失效准则。再次，基于疲劳累积损伤理论，建立间歇循环荷载作用下的疲劳寿命预测方法。最后，根据不同循环次数后复合材料损伤积累SEM图像找出SMA与基体之间界面疲劳弱化的临界值。基于Murakami损伤理论，结合疲劳预测方法，总结出不同失效形式下疲劳损伤演变规律。本项目的施行能够建立形状记忆合金增强复合材料疲劳寿命分析的理论体系，为其在实际工程中的应用打下坚实基础。

在复合材料结构中使用智能材料的方法已经吸引了众多研究者的关注。形状记忆合金作为一种在复合结构中热门的智能材料已经在机器人，航空航天，医疗和工业等众多分支中应用。本课题通过构建形状记忆合金复合材料层合板的损伤模型，系统的研究了形状记忆合金复合材料的疲劳、损伤和界面的连接、脱粘问题。.主要研究内容以及取得的重要结果：.1）首先，改变SMA的嵌入量、嵌入位置和方式，找到这几种影响因素对SMA增强复合材料层合板弯曲疲劳特性的影响程度。其次根据各参数对SMA增强复合材料弯曲疲劳性能影响程度，找出SMA最优嵌入量和最优位置。最后，给出温度对SMA的形状记忆效应是改善层合板弯曲疲劳性能的作用效果。.2）使用实验和数值模拟的方法，对SMA纤维增强复合材料的界面性能进行了研究，获得间歇循环荷载作用下，内部应力分布状况及破坏模式。基于形状记忆合金纤维、基体材料和界面相组成的三相系统，推导其宏观本构模型及有效模量表达形式，给出界面相临界失效准则，并通过有限元方法揭示形状记忆合金增强复合材料内部脱粘演化机制。.3）对形状记忆合金复合材料层合板的宏观疲劳性能进行了实验与理论研究。通过间歇循环荷载作用下的TEM、SADP和XRD实验，测定了形状记忆合金复合材料的界面脱粘剪切强度，并拟合裂纹扩展与相关加载参数的关系。使用埋入层板中的 SMA的本构关系，结合累积损伤理论，获得三点弯曲加载作用下，以剩余强度为疲劳参量的疲劳寿命预测方法。并开展实验对其进行验证。.4）使用实验和理论研究的方法研究复合材料的疲劳损伤演变规律。根据不同循环次数后材料损伤积累SEM图像找出纤维与基体之间界面疲劳弱化的临界值。基于Murakami 损伤理论和其他疲劳参量，总结出不同失效形式下疲劳损伤演变规律。