复合材料多尺度疲劳损伤高精度预测技术

In order to solve the critical issues for composite structural design, analysis, and maintenance, it is of great significance to develop composite fatigue damage and durability technologies. The overall goal of the proposed project is to develop a new multiscale damage and fatigue life prediction approach for facilitating structural efficiency of composite materials on commercial airplanes. Three major objectives are identified: (1) The development of an in-situ optical microscopy concurrent fatigue testing and Digital Image Correlation methodology for fatigue damage mechanism investigation (2) The development of physical-based fatigue crack growth model with both delamination and matrix crack modes and the development of a physical-based multi-scale damage model; and (3) the development of a comprehensive framework for uncertainty quantification and managementon fatigue life prediction. The proposed general multi-scale composite fatigue damage prediction methodology, together with physical-based mechanics model, is of high prediction efficiency, and extensive applicability, and hence contribute to tackling the fundamental issues arising from the design & analysis of composite structures.

随着复合材料的广泛应用，对其使用性能及疲劳寿命的分析预测已成为复合材料结构应用中的关键问题。本项目拟针对复合材料疲劳与耐久性方面的若干重要问题，在以下三个方面开展研究：（1）基于微观尺度疲劳损伤同步试验的复合材料疲劳损伤机理；（2）耦合各种损伤模式的复合材料疲劳裂纹扩展预测和复合材料多尺度疲劳损伤分析与模拟；（3）基于概率统计的分析方法的复合材料结构多尺度疲劳寿命精确预测。本课题创新性地发展的理论精度高、适用范围广、物理意义明确的复合材料结构多尺度的损伤和疲劳寿命预测模型，将为我国复合材料结构疲劳耐久性设计分析提供依据，推动我国民用复合材料结构的应用基础发展。

随着复合材料的广泛应用，对其使用性能及疲劳寿命的分析预测已成为复合材料结构应用中的关键问题。本项目针对复合材料疲劳与耐久性方面的若干重要问题，在以下三个方面开展研究：（1）基于微观尺度疲劳损伤同步试验的复合材料疲劳损伤机理研究；（2）发展复合材料疲劳裂纹扩展预测和复合材料多尺度疲劳损伤分析与模拟方法；（3）结合概率统计的分析方法，进行复合材料结构多尺度疲劳寿命预测。具体完成的工作和相应的成果描述如下：.（1）开展了对复合材料层合板疲劳损伤实时测试技术的研究，建立了基于散斑表面处理和数字图像拟合技术的进行了复合材料层合板刚度降的测试；进行了典型复合材料层和板的疲劳和分层扩展测试；.（2）基于临界面多轴疲劳准则和疲劳损伤名义应力方法，本文建立了一个新的基于临界面模型的复合材料分层失效模型。该模型仅需要I型和II型分层扩展的试验数据，就可以预测任何混合比载荷下的分层扩展；同时，该模型还是用于预测复杂载荷作用下不同的材料失效模式。进而基于概率的思想，利用逆一阶可靠性方法预测了分层扩展速率在指定置信度下的疲劳寿命的分布；.（3）以临界面模型作为分层损伤演化准则，推导了界面内聚力单元的本构关系，利用Abaqus/Explicit分析模块模拟了复合材料典型层和板的裂纹扩展。试验结果与数值结果的对比表明临界面模型能够准确地预测复合材料板的分层扩展行为；.（4）针对工程复合材料结构中所遇到多向铺层界面、纤维桥接等问题，提出了基于桥接应力模型的通用分层扩展模型，开发了相应的通用分层扩展有限元子程序，并验证了模型的适用性；.（5）开发了新的复合材料渐进疲劳损伤模型，从剩余刚度模型中得到了剩余应变模型中所需的参数，并将疲剩余应变与疲劳参数联系起来。基于该模型的数值模拟结果表明，该方法可以成功用于评估疲劳载荷下的复合材料结构剩余强度；.（6）建立了正方形RVE和六边形RVE的有限元模型以及机械应力放大系数矩阵和热应力放大系数矩阵的计算流程；完善了MMF3 跨尺度失效分析准则，提出了其细观临界值的求解方法；.（7）发展了模拟结构层次分层扩展的有限元模型，对含预埋分层的复合材料机身帽型长桁加筋壁板在压缩载荷下的剩余强度及损伤破坏进行预测。. 本课题创新性地发展的适用范围广、物理意义明确的复合材料结构多尺度的损伤和疲劳寿命预测模型，将为复合材料结构疲劳耐久性设计分析提供依据。