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第一部分 概念和方法 3

第1章 复合材料耐久性研究的概念框架 3

1.1 引言与背景 3

1.2 材料的耐久性基础 4

1.2.1 恒时加载 4

1.2.2 时变加载 5

1.3 疲劳耐久性的概念框架 6

1.3.1 疲劳寿命图 7

1.3.2 单向纤维增强复合材料疲劳的概念解释 12

1.3.3 基本疲劳寿命图的变化 15

1.4 将标准疲劳寿命图扩展到层压板和其他纤维编织结构 19

1.5 疲劳寿命预测模型 22

1.5.1 统计变量 22

1.5.2 建立失效机制的动力学模型 22

1.6 结语 23

参考文献 23

第2章 复合材料高周循环疲劳建模的循环跳跃概念 26

2.1 简介 26

2.2 什么是唯象残余刚度模型？ 27

2.3 循环跳跃概念 29

2.3.1 典型残余刚度模型的选择 29

2.3.2 采用固定周期跳跃法分析剩余刚度的半解析模型 30

2.3.3 自适应周期跳跃概念 38

2.4 循环周次跳跃概念的有限元方法 39

2.4.1 背景 39

2.4.2 局部循环跳跃NJUMP1的测定 40

2.4.3 整体周期跳跃值NJUMP的确定 40

2.4.4 结果讨论 43

2.5 结论 46

2.6 未来发展趋势及面临的挑战 47

参考文献 47

第3章 纤维增强复合材料的疲劳试验方法与标准 49

3.1 简介 49

3.2 AFNOR：法国国家标准化组织（法国标准化协会） 51

3.2.1 基本原则和弯曲试验 51

3.2.2 三点弯曲和四点弯曲疲劳试验 52

3.2.3 正交平面弯曲试验 52

3.2.4 屈曲试验 53

3.3 ISO：国际标准化组织 53

3.3.1 ISO 13003：2003：循环载荷条件下疲劳性能的测量 53

3.4 JIS：日本工业标准 54

3.4.1 JIS K 7082-93：碳纤维增强复合材料完全反向平面弯曲疲劳试验方法 54

3.4.2 JIS K 7083-93：碳纤维增强复合材料在恒定拉伸－拉伸载荷幅值作用下的疲劳试验方法 55

3.5 ASTM：美国材料与测试协会 56

3.5.1 ASTM D6115-97（2011）：单向纤维增强聚合物基复合材料的Ⅰ型疲劳分层扩展标准试验方法 56

3.5.2 ASTM D6873/D6873M-08：聚合物基复合材料层压板支板疲劳试验标准 56

3.5.3 ASTM D3479/D3479M-12：聚合物基复合材料拉伸疲劳的标准试验方法 58

3.5.4 ASTM D7615/D7615-11：聚合物基复合材料层压板开孔疲劳响应的标准 58

3.5.5 ASTM C394/c394m-13：夹芯层压板剪切疲劳的标准试验方法 58

3.5.6 ASTM D6856/D6856M-03（2008）：织物增强的“编织”复合材料试验标准指南 58

3.6 讨论 59

参考文献 60

第4章 复合材料疲劳分析数据库 63

4.1 简介 63

4.2 FACT数据库 64

4.3 OptiDat数据库 65

4.4 SNL/MSU/DOE数据库 67

4.5 总结 68

参考文献 69

第二部分 微观疲劳 73

第5章 对碳、玻璃和其他纤维的疲劳分析 73

5.1 纤维疲劳引言 73

5.1.1 单纤维疲劳行为分析的重要性 73

5.1.2 有关纤维疲劳特性的可靠数据：一个挑战 74

5.1.3 疲劳强度的概念 75

5.2 表征纤维疲劳性能的试验方法 75

5.2.1 单纤维试验 75

5.2.2 纤维束的试验 76

5.3 玻璃纤维疲劳分析 77

5.4 碳纤维疲劳分析 79

5.5 其他类型纤维的疲劳分析 81

5.5.1 天然纤维 81

5.5.2 芳纶纤维 83

5.5.3 其他类型的纤维 83

5.6 纤维和纤维束的疲劳强度模型 85

5.7 环境因素对疲劳的影响 86

5.7.1 环境影响：真空 86

5.7.2 湿度 86

5.7.3 温度 86

5.8 结论和未来面临的挑战 87

参考文献 88

第6章 单向层压板的多轴疲劳：一种自上而下的试验的方法 92

6.1 引言 92

6.2 自下而上的策略与自上而下的方法 94

6.3 与失效模式相关的疲劳模型 95

6.3.1 材料定义、试验设置及参数识别 99

6.3.2 试验模型的验证 106

6.4 应用 108

6.5 结论和展望 109

参考文献 110

第7章 单向层压板在多轴疲劳载荷作用下的裂纹萌生模型 113

7.1 引言 113

7.2 疲劳失效的特点 115

7.3 局部应力计算 117

7.4 验证 118

7.5 恒定寿命图 126

7.6 结论 127

参考文献 128

第三部分 不同编织复合材料的疲劳特性与建模 133

第8章 不同类型和不同环境条件下承受疲劳载荷作用的二维编织复合材料 133

8.1 引言 133

8.2 应力比效应 137

8.2.1 S-N曲线 137

8.2.2 疲劳数据应力比相关的可视化 138

8.2.3 各向异性CFL图 139

8.2.4 试验和理论CFL图 141

8.3 温度效应 142

8.3.1 在不同温度下的S-N曲线 142

8.3.2 S-N曲线的温度相关性 144

8.3.3 不同温度下的各向异性CFL图 145

8.4 单向／交叉层压板和碳纤维编织复合材料的S-N曲线之间的比较 147

8.5 纤维取向效应 148

8.5.1 室温下的离轴S-N曲线 148

8.5.2 在室温下正态离轴S-N曲线 149

8.5.3 高温下的离轴S-N曲线 150

8.5.4 频率的影响 153

8.6 温度效应建模 154

8.6.1 温度相关的各向异性CFL图 154

8.6.2 静态强度的温度相关性 155

8.6.3 参考S-N曲线的温度相关性 156

8.7 R比变化的影响 160

8.7.1 变R比对疲劳寿命的影响 161

8.7.2 Palmgren-Miner假设 162

8.8 结语 163

8.8.1 应力比的影响 163

8.8.2 温度的影响 163

8.8.3 温度和R比相关性的建模（轴向疲劳） 164

8.8.4 纤维取向的影响 164

8.8.5 变应力比的影响 164

8.8.6 未来趋势 165

致谢 165

参考文献 165

第9章 二维编织复合材料的疲劳响应和损伤演化 170

9.1 简介 170

9.2 试验方案 172

9.3 静态载荷作用下的缺口灵敏度 173

9.4 材料对循环载荷的响应 174

9.5 循环载荷作用下的损伤演化 179

9.5.1 普通材料的宏观损伤演化 180

9.5.2 材料的微观损伤演化 181

9.5.3 含孔的微观损伤演化 184

9.6 裂纹密度曲线 189

9.7 结论 191

参考文献 192

第10章 3D编织复合材料的疲劳损伤演化 196

10.1 引言 196

10.2 疲劳试验细节 198

10.3 单层非卷曲3D正交编织E玻璃／环氧树脂复合材料 198

10.3.1 材质特性和准静态特性 198

10.3.2 疲劳寿命 201

10.3.3 损伤的观察和演化 204

10.3.4 疲劳后力学性能 207

10.4 3D旋转编织碳／环氧复合材料 209

10.4.1 材料特性和准静态特性 209

10.4.2 疲劳寿命 211

10.4.3 损伤观察和演化 212

10.4.4 疲劳后力学性能 214

10.5 非卷曲针织碳／环氧树脂复合材料 215

10.5.1 材料特性和准静态特性 215

10.5.2 疲劳寿命 217

10.5.3 损伤的观察和演化 218

10.5.4 疲劳后力学性能 221

10.6 结论 222

10.7 未来的挑战 223

致谢 223

参考文献 223

第11章 三维编织增强复合材料的疲劳性能 226

11.1 引言 226

11.2 三维编织复合材料的疲劳性能 228

11.3 针织复合材料的疲劳性能 230

11.4 z－锚固编织复合材料的疲劳性能 235

11.5 z－销型复合材料的疲劳性能 235

11.6 总结 239

参考文献 239

第12章 非卷曲编织复合材料的疲劳 246

12.1 引言 246

12.2 NCF复合材料 246

12.2.1 NCF 246

12.2.2 NCFs的结构特性 248

12.2.3 NCF复合材料的力学性能 249

12.3 NCF复合材料的疲劳 250

12.3.1 疲劳寿命 252

12.3.2 刚度降低 254

12.3.3 损伤发展 256

12.3.4 NCF的影响参数 258

12.4 总结 260

参考文献 261

第13章 编织复合材料层压板的疲劳模型 265

13.1 引言 265

13.2 疲劳模型的分类 267

13.3 疲劳模型和寿命预测方法的综述 269

13.3.1 疲劳寿命模型 269

13.3.2 预测剩余刚度／强度的唯象模型 270

13.3.3 力学渐进损伤模型 271

13.4 现有疲劳模型的工业应用挑战 272

13.4.1 纵向刚度以外弹性性能的降低 273

13.4.2 变幅加载 279

13.4.3 模型参数的复杂识别 280

13.4.4 环境条件和预损伤的影响 282

13.5 疲劳损伤多尺度模型的可行性 283

13.5.1 编织复合材料的介观尺度建模 283

13.5.2 微观力学疲劳失效准则的定义 285

13.5.3 元分层和层间分层 285

13.6 结论 286

13.7 未来的趋势和挑战 287

13.8 未来发展趋势和建议的来源 287

参考文献 287

第14章 编织复合材料单胞模型的高周疲劳性能 294

14.1 简介：编复合材料单胞模型高周疲劳的一般方法 294

14.2 编织复合材料的疲劳模型 296

14.2.1 介观有限元模型和准静态载荷分析 297

14.2.2 微观疲劳分析 299

14.2.3 实施 305

14.3 编织复合材料的疲劳建模实例 307

14.3.1 材料和输入数据 307

14.3.2 结果 308

14.4 结论 311

致谢 311

参考文献 311

第四部分 应用 317

第15章 航空应用中碳纤维编织复合材料的疲劳试验和在线检测 317

15.1 引言 317

15.2 材料和方法 319

15.3 静态特性 320

15.3.1 试验结果 321

15.3.2 介观尺度建模 323

15.4 疲劳特征 325

15.4.1 拉伸－拉伸疲劳 326

15.4.2 剪切为主的疲劳 331

15.4.3 弯曲疲劳 334

15.5 结论 340

15.6 未来的趋势和挑战 340

参考文献 341

第16章 汽车行业中使用的编织复合材料 343

16.1 引言 343

16.2 车用复合材料轻量化设计 345

16.2.1 方法和挑战 345

16.2.2 要求 346

16.2.3 多维材料和混合设计 348

16.3 车用编织复合材料部件的生产 350

16.3.1 预成型编织体 350

16.3.2 混合结构的制造 352

16.4 汽车系列产品的疲劳问题 354

16.5 多维材料的疲劳问题 355

16.6 结论 357

参考文献 357

第17章 用于风能工程的编织复合材料的疲劳寿命 361

17.1 引言 361

17.1.1 基本材料 362

17.1.2 疲劳损伤 362

17.2 基本材料 363

17.2.1 基本知识 363

17.2.2 纤维 364

17.2.3 浆纱 365

17.2.4 基体 366

17.3 编织物结构 368

17.3.1 编织物结构 368

17.3.2 复合材料结构 369

17.4 疲劳方法 371

17.4.1 结构上的疲劳载荷 371

17.4.2 均布加载 372

17.4.3 应力比和加载顺序 373

17.4.4 疲劳力学性能测试 374

17.4.5 应力循环曲线 376

17.4.6 疲劳设计方面 377

17.4.7 恒定寿命图 378

17.4.8 损伤累积 380

17.5 编织物的疲劳特性 381

17.5.1 总体趋势 381

17.5.2 试验研究 382

17.5.3 损伤研究 383

17.5.4 损伤顺序 387

17.6 叶片设计概念 389

17.7 风能工程中复合材料未来面临的挑战 391

参考文献 392

第18章 建筑工程：胶粘编织复合材料的疲劳寿命预测 394

18.1 引言 394

18.2 FRP编织复合结构部件在土木工程中的应用 400

18.3 胶接接头的试验研究和建模 405

18.4 疲劳寿命的建模与预测 414

18.4.1 经典的疲劳寿命预测 414

18.4.2 基于断裂力学的疲劳寿命预测 418

18.5 结论 427

参考文献 428

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