復(fù)合材料因其出色的力學(xué)性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而受到廣泛關(guān)注。然而，復(fù)合材料在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞壽命預(yù)測一直是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，涉及多種失效模式和損傷機制的耦合。傳統(tǒng)的疲勞壽命預(yù)測模型往往難以準確捕捉復(fù)合材料在多軸應(yīng)力下的復(fù)雜失效行為。目前，已經(jīng)有一些研究致力于開發(fā)復(fù)合材料的多軸疲勞壽命預(yù)測模型。然而，這些模型往往基于復(fù)雜的理論和算法，難以實際應(yīng)用。此外，現(xiàn)有的模型往往忽略了自然復(fù)合材料失效特性對復(fù)合材料疲勞壽命的影響，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不夠準確。因此，發(fā)展一種基于自然復(fù)合材料失效特性的復(fù)合材料多軸疲勞壽命預(yù)測模型具有重要意義。

      近日,TOP期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了南京航空航天大學(xué)在復(fù)合材料的多軸疲勞失效行為方面的研究，提出了一種基于自然復(fù)合材料失效特性的多軸疲勞壽命預(yù)測模型。論文標題為“Multiaxial failure behavior and fatigue life prediction of unidirectional composite laminates”。

      該研究通過對復(fù)合材料在多軸應(yīng)力下的失效行為進行深入研究，建立了一個能夠準確預(yù)測復(fù)合材料疲勞壽命的模型。研究團隊制備了單向?qū)雍习逶嚇?，搭建了相?yīng)的疲勞試驗裝置。試驗過程中，對試樣施加了不同的多軸應(yīng)力組合，包括拉伸-扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載等，詳細記錄了試樣的疲勞壽命、失效模式以及損傷演化過程。為了更準確地預(yù)測復(fù)合材料的疲勞壽命，提出了一種基于天然復(fù)合材料失效經(jīng)驗的多軸疲勞壽命預(yù)測模型。該模型考慮了多軸應(yīng)力對基體剪切失效的復(fù)雜耦合效應(yīng)，并通過引入修正項對復(fù)合材料在縱向和橫向應(yīng)力作用下的基體剪切失效進行了描述。

     建立了相應(yīng)的數(shù)值分析模型來模擬復(fù)合材料的多軸疲勞失效過程，采用了有限元方法（FEM）進行模擬分析。模擬結(jié)果表明，縱向裂紋出現(xiàn)后，管狀試樣的軸向剛度幾乎沒有變化，而扭轉(zhuǎn)剛度顯著降低約50%。這說明縱向單裂紋分裂應(yīng)被包含在基本的多軸失效模式中，因為它與天然復(fù)合材料的扭轉(zhuǎn)剛度大幅降低相似。   

通過多組實驗驗證，研究發(fā)現(xiàn)該預(yù)測模型能夠較好地預(yù)測復(fù)合材料在多軸應(yīng)力作用下的疲勞壽命。預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)大多在三倍范圍內(nèi)，表明該模型具有一定的可靠性和準確性。此外，文章還比較了該方法與傳統(tǒng)基于應(yīng)力的疲勞準則的預(yù)測精度，發(fā)現(xiàn)該方法在預(yù)測偏軸層合板和單向管狀試樣的壽命時具有更高的準確性。

該研究通過對復(fù)合材料的多軸疲勞失效行為進行深入分析，提出了一種基于自然復(fù)合材料失效特性的多軸疲勞壽命預(yù)測模型。該模型考慮了復(fù)合材料在多軸應(yīng)力下的復(fù)雜失效行為，并量化了縱向應(yīng)力和剪切應(yīng)力對疲勞壽命的影響。通過對比實驗結(jié)果和預(yù)測結(jié)果，驗證了該模型的準確性和可靠性。該研究為復(fù)合材料的多軸疲勞壽命預(yù)測提供了新的思路和方法，對于推動復(fù)合材料在實際應(yīng)用中的更廣泛應(yīng)用具有重要意義。