基于模态测试的玻璃纤维增强聚酯复合材料疲劳寿命预测



基于模态测试的玻璃纤维增强聚酯复合材料疲劳寿命预测

金属材料的疲劳失效一般被分为3个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展到一个临界大小、疲劳裂纹拓展。经过研究发现，90％的材料失效都是由疲劳引起的。在金属材料中，疲劳损伤与循环塑性变形是紧密相关的，因环境材料和平面应力状态的影响，金属材料疲劳损伤通常发生在金属表面，而疲劳损伤扩展则是由单一裂纹引起的。复合材料的疲劳和金属材料的疲劳有很大差别。复合材料的疲劳评估无法基于单个裂纹疲劳损伤进行，且复合材料的耐疲劳损伤取决于许多其它损伤机制，如纤维断裂、基质开裂、脱层和剥离等。这些损坏机制的组合可以对复合材料的力学性能如强度和刚度产生不利影响。因此，复合材料累积损伤的研究主要关注残余强度和疲劳过程中的刚度下降。

通过试验模态分析对复合材料的疲劳特性进行定性和定量研究。本试验所采用的复合材料是玻璃纤维增强聚酯材料（FRP），将玻璃纤维增强聚酯材料作为一个悬臂梁，通过在不同方向上施加激励，以获得玻璃纤维增强的聚酯材料模态参数（固有频率、阻尼比和模式形状），同时对其进行平面弯曲疲劳试验。试验结果表明，模态参数的变化可以预测复合材料的疲劳寿命，通过对试验数据进行曲线拟合，在一定误差范围内发现两种曲线形式能表征材料的疲劳寿命趋势，分别是指数形式和二次方程式。通过指数方程和二次方程分别获得与疲劳寿命相关的阻尼比和谐振频率，但是通过阻尼比推论出玻璃纤维增强聚酯材料的疲劳寿命是以指数形式变化的，而不是二次方程式，意味着疲劳损伤的程度取决于阻尼比，因此可以用阻尼比作为疲劳寿命预测的一个重要参数。

刊名：International Journal of Fatigue（英）

刊期：2014年第69期

作者：M. Abo-Elkhier et al

编译：孙坚