湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能_许名瑞.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0565湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能许名瑞1，2，曾本银1，2，熊欣2，孟庆春2，程小全1，*(1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191；2.中航工业中国直升机设计研究所，景德镇333001)摘要：湿热环境是影响复合材料层合板力学性能的主要因素之一，研究湿热环境对复合材料结构的影响对于保证飞行结构安全具有非常重要的工程应用意义。研究碳纤维复合材料层合板在室温干态（RTD）、低温干态（CTD）和高温湿态（ETW）3 种环境条件下的拉伸疲劳性能，获得 3 种环境下的 S-N 曲线与层合板疲劳破坏模式。在此基础上，建立层合板有限元分析模型，对其疲劳性能进行研究，分析讨论温度及湿度对层合板疲劳性能的影响，建立层合板疲劳寿命环境影响因子的确定方法。结果表明：湿热环境对正交层合板的拉伸疲劳性能影响很大，疲劳寿命为 106次时，与 RTD 环境相比，CTD 环境下层合板的疲劳强度下降了 2.76%，而 ETW 环境下下降达到23.77%；ETW 和 RTD 环境下破坏模式以纤维断裂和分层为主，而 CTD 环境下却几乎全为纤维断裂破坏；S-N 曲线包括疲劳强度快速下降和缓慢下降 2 个阶段；温度对疲劳性能的影响要明显强于湿度，温度超过 45 时湿度对疲劳性能的影响进入强影响区。关键词：复合材料；湿热环境；疲劳性能；S-N 曲线；疲劳强度中图分类号：V215.5+2；TB332文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1614-09碳纤维增强树脂基复合材料（carbonfibrerein-forcedplastic，CFRP）由于具有较高的比强度和比刚度已被大量应用于航天航空领域。文献 1-5 的研究成果显示湿热条件是影响树脂基复合材料性能的最重要的环境条件之一，湿热可能会严重降低材料的基本力学性能，湿热环境下，产生大的变形或湿热应力可能会直接导致结构产生破坏。为了确保复合材料层合板结构的安全性，湿热行为是复合材料结构设计必须考虑的关键问题，为此很多学者就此开展了深入研究。文献 6 研究了碳纤维增强复合材料的湿热老化问题，结果表明湿热联合作用较单纯热或湿作用更加复杂，对复合材料性能的变化具有促进和抵消 2 种效果。文献 7指出湿热老化导致碳纤/环氧树脂复合材料层合板中纤维与树脂基体发生界面脱黏损伤，基体性能退化，最终表现为材料的层间剪切性能和面内压缩性能降低。文献 8 给出了 T300/1034 层合板在温度范围73177 和相对湿度 0%100%范围内的拉伸力学性能，并总结了几种材料体系层合板在湿热环境下的性能变化。文献 9 对三维编织复合材料进行了应力比为 0.1、试验频率为 10Hz 的拉-拉载荷作用下疲劳性能试验，疲劳试验达到 106次停止试验并静载拉断给出剩余强度，试验结果表明，三维编织复合材料疲劳试验试件的剩余强度是静载拉伸破坏强度的 110%127%。文献 10 运用三点弯曲加载方式对 3238A/EW250F 复合材料的弯曲疲劳性能进行研究，利用升降法得到 0方向铺层3238A/EW250F 复合材料 106次条件下的疲劳极限为 73.2 MPa。文 献 11 研 究 了 高 温(100)下AS4/PEEK、T800H/Polyimide 和T800H/Epoxy 这3 种复合材料在不同铺层角度的单向碳纤维增强复合材料的疲劳性能，结果发现 AS4/PEEK 复合材料在除 0铺层外均表现更强的疲劳强度，而 T800H/Polyimide 复合材料具有较弱的疲劳强度，除 0铺层收稿日期：2021-09-23；录用日期：2021-11-26；网络出版时间：2021-12-1510：13网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（7）：1614-1622.XU M R，ZENG B Y，XIONG X，et al.Tensile fatigue properties of carbon fiber laminates in hygrothermal environmentsJ.Journal ofBeijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（7）：1614-1622（in Chinese）.2023年7月北京航空航天大学学报July2023第49卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.7外，其他铺层材料在循环次数达到 105时，疲劳强度均出现明显降低。文献 12 建立高周疲劳载荷作用下模拟复合材料分层扩展的损伤模型。该模型基于断裂力学和损伤力学之间的内聚力关系，建立裂纹扩展速率和损伤变量之间的关系。文献 13基于细观力学理论运用多尺度方法，建立复合材料疲劳寿命估算的概率模型，代表性体积单元选用正方形或六边形，引入用于桥接宏观应力和微观应力的应力放大矩阵来计算各个组分的应力。文献 14建立纤维增强复合材料考虑应力比及铺层方向影响的疲劳损伤细观模型，考虑应力比效应提出无量纲的有效应力概念，基于细观连续损伤力学理论建立 3 组损伤扩展方程式来分别计算疲劳载荷在轴向、横向和剪力方向作用时材料的疲劳性能。现有的研究大都集中在静力性能或者单个湿或热环境条件下的疲劳性能影响，试验验证不够充分，数值仿真不够深入，缺乏对湿度、温度及两者耦合作用下的深入讨论。本文在文献 15 碳纤维复合材料正交层板吸湿后拉伸疲劳性能研究基础上，采用试验和数值模拟的方法，进一步对复合材料层合板在湿、热环境条件下的疲劳性能进行研究分析，建立层合板疲劳寿命环境影响因子的分析方法，为复合材料层合结构不同环境下的寿命评估提供一种工程方法与数据支持。1试验件与试验1.1试验件试验件为正交层合板，其构型如图 1 所示，铺层形式为(0/90)n。预浸碳布材料牌号为 CF3052/3238A，采用热压罐工艺成型，具体工艺如下：室温下 抽 真 空 至 0.095MPa，之 后 按 2/min 升 温 至80 90，加 压 0.45MPa，再 按 2/min 升 温 至125130，保温 2h 之后自然冷却至室温（或以不大于 2/min 降至 60 以下）出罐。试验类型和试验件数量分配如表 1 所示，其中，吸湿试验件 3 件，用于确定所有试验件饱和吸湿状态和时间。拉-拉疲劳有 3 种试验环境，即室温干态（roomtempertureanddry，RTD）、低温干态（cooltemperatureanddry，CTD）及高温湿态（elevatedtemp-ertureandwet，ETW）。为了确定疲劳试验载荷，同时进行对应的静力试验。表1试验类型和试验件数量Table1Testtypeandnumberoftestspecimer试验类型试验件数量RTDCTDETW吸湿试验3拉伸静力试验333拉-拉疲劳试验1616161.2试验整个试验工作包含吸湿试验、拉伸静力试验及拉伸疲劳试验，ETW 试验需先在热水槽里完成平衡吸湿再进行相应力学试验，所有力学试验均在环境箱中完成。1.2.1吸湿试验吸湿试验按照标准试验方法16-17来进行设计，将 ETW 试验件置于 70 恒温水槽中进行侵泡，吸湿首日每 2h 进行一次称重，之后逐渐增加称重时间间隔，每 7 天据式(1)计算试验件吸湿量，当相隔7 天试验件吸湿量变化小于 0.02%时认为试验件达到饱和吸湿状态。M=WiW0W0100%（1）MW0Wi式中：为试验件吸湿量，%；和分别为吸湿前后的试验件质量，g。1.2.2疲劳试验图 2 为碳纤维 CF3052/3238A 拉伸疲劳试验装0.080.080.080.05250胶线厚度不超过0.3AABBCC4600.341.5410250.252.50.1单位:mm图1拉伸静力与疲劳试验件Fig.1Tensilestaticforceandfatiguespecimens固定图2碳纤维 CF3052/3238A 拉伸疲劳试验装置Fig.2TensilefatiguetestdeviceofcarbonfiberCF3052/3238A第7期许名瑞，等：湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能1615置，疲劳试验在 10t 级 Instron8801 液压伺服疲劳试验机上完成，RTW 试验直接在实验室室温环境进行，ETW 和 CTD 试验在环境箱中进行。由于复合材料疲劳试验中存在发热及水分流失现象，采用文献 15 使用的方法来对试验件进行保湿和表面温度监测。标准试验方法16-17指出加载频率应该保证试验件表面温度变化不超过 10，因此，根据试验件表面温度的监测情况后加载频率选择为6Hz，加载波形为正弦波，载荷应力比 R 为 0.0526。2疲劳寿命有限元模拟2.1湿热环境条件下基本性能退化模型复合材料湿热环境条件下的基本力学性能会有退化的趋势，采用文献 15 建立的模型来描述基本力学性能变化规律，无量纲 T*考虑了温度和吸湿量对基本力学性能的影响。T=TgwTTg0T0（2）TT0C式中：为当前温度；为起点温度；Tgw为当前吸湿量为 时树脂玻璃化转化温度；Tg0为干态时树脂玻璃化转化温度；Tgw和 Tg0满足：Tgw=Tg0gC（3）mVm式中：C 为当前树脂吸湿量；g 为常数。树脂吸湿量 C 由层合板吸湿量 M、树脂密度、层合板密度和树脂体积含量按式（4）计算：C=MmVm（4）得到无量纲 T*后，复合材料层合板的强度和刚度按式（5）进行衰减：E11E011=E22E022=(T)aXTX0T=YTY0T=(T)bG12G012=(T)cS12S012=(T)d（5）E11E22E011E022XTYTX0TY0TG12S12G012S012式中：和分别为复合材料层合板当前环境下0和 90方向弹性模量；和分别为层合板 RTD环境下 0和 90方向弹性模量；和分别为层合板当前环境下 0和 90方向的拉伸强度；和分别为层合板 RTD 环境下 0和 90方向的拉伸强度；和分别为层合板当前环境下的纵横剪切模量和强度；和分别为层合板 RTD 环境下纵横剪切模量和强度；a、b、c、d 为湿热环境下材料性能退化常数。使用的材料参数及经验常数如表 2 和表 3 所示。表2材料参数Table2MaterialparametersE011/GPaE022/GPaX0T/MPaY0T/MPaG012/GPa54.354.36806803.26S012/GPa/(g.cm3)m/(g.cm3)Vm/%1161.421.2345表3经验常数Table3EmpiricalconstantsTg0/T0/g/abcd1202050.050.150.220.562.2疲劳损伤起始判据及强度刚度退化准则文献 18-19 显示复合材料在疲劳加载过程初始阶段，材料边界或孔边会先出现横向微裂纹，随着载荷的增大或循环次数的增加边界或孔边微裂纹会向内部扩展，达到饱和后在该处为起点会出现分层现象，到寿命后期阶段整个损伤模式以纤维断裂为主，随着纤维断裂的增多材料损伤再次扩展，直到剩余强度下降到外加载荷时，试验件完全破坏。因此，从宏观演变来看整个过程当中复合材料层合板的强度和刚度整体上都是呈“快-慢-快”退化趋势，采用文献 15 的退化模型式（6）式（9）来对退化规律进行描述。XT(n,R)XT=XC(n,R)XC=YT(n,R)YT=YC(n,R)XC=11(1XT)(nN)1.321 8（6）E11(n,R)E11=11(10.885 7XT)1/1.070 2(nN)0.541 8（7）S12(n,R)S12=11(12S12)(nN)9.345 9（8）G12(n,R)G12=11(124.785 3S12)1/14.939 3(nN)0.262 3（9）XT(n,R)XC(n,R)YT(n,R)YC(n,R)S12(n,R)G12(n,R)nXTXCYTYCE11S12G12112N式中：、和分别为疲劳载荷加载 次后的纵向拉伸强度、纵向压缩强度、横向拉伸强度、横向压缩强度、纵向弹性模量、面内剪切强度和面内剪切模量；、和、分别为疲劳载荷加载前即初始状态下的相应强度和模量；和分别为正应力和 12 面内剪切应力；为相应疲劳载荷下的疲劳寿命。式（10）式（14）为按照文献 15 建立的数学模型来描述复合材料层合板起始失效判据，失效破1616北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年坏模式包括纤维拉伸、压缩及基体-纤维剪切等5 种模式。1 01）纵向纤维拉伸损伤（）f21t=(1XT(n,R)2+(12S12(n,R)2+(13S13(n,R)2 1（10）1 02）纵向纤维压缩损伤（）f21c=(1XC(n,R)1（11）2 03）横向纤维拉伸损伤（）f22t=(2YT(n,R)2+(12S12(n,R)2+(23S23(n,R)2 1（12）2 04）横向纤维压缩损伤（）f22c=(2YC(n,R)1（13）1 05）基体-纤维剪切损伤（）f212=(1XC(n,R)2+(12S12(n,R)2+(23S23(n,R)2 1（14）iijS13(n,R)S23(n,R)n式中：为单元各个方向上的正应力分量；为各个面内剪应力；和分别为疲劳载荷下循环 次后单层板 13 和 23 平面内的剪切强度。当单元出现初始损伤后，需要对单元的材料性能再进行局部刚度衰减，衰减规律按照以下模型进行，正交各向异性复合材料单层板的本构关系为123233112=C11C12C13000C21C22C23000C31C32C33000000C44000000C55000000C66123233112（15）写成矩阵形式为=C（16）iijiijC式中：和与式（6）式（14）一致；为 3 个主方向线应变；为相应面内剪应变；为三维刚度矩阵。D=0渐进退化模型认为当单元出现损伤后，材料的性能会按照一定的规律逐渐衰减到最低值。引入损伤量矩阵 D 来表征材料的损伤程度，表示材D=1料无损伤，表示材料完全破坏。出现损伤后，对单元的刚度矩阵进行折减：?C=(1 D)C（17）?C?Cij式中：为折减刚度矩阵，系数按式（18）进行计算：?C12=(1d1t)(1d1c)(1d2t)(1d2c)C12?C22=(1d2t)(1d2c)C22?C13=(1d1t)(1d1c)C13?C23=(1d2t)(1d2c)C23?C33=C33?C44=(1d12)C44?C55=C55?C44=C66（18）d1td1cd2td2cd12da(a=1t,1c,2t,2c,12)fa(a=1t,1c,2t,2c)式中：和分别表征织物单层板 1 方向拉伸和压缩的损伤程度；和分别表征织物单层板 2 方向拉伸和压缩的损伤程度；表征织物单层板面内剪切的损伤程度。损伤变量为的连续函数，可由式（19）计算得出：d1t=11f1te(1f1t)(XTxtG1t)=11f1te(1f1t)(XTxtLcW1t)d1c=11f1ce(1f1c)(XCxcG1c)=11f1ce(1f1c)(XCxcLcW1c)d2t=11f2te(1f2t)(YTytG2t)=11f2te(1f2t)(YTycLcW2t)d2c=11f2ce(1f2c)(YCycG2c)=11f2ce(1f2c)(YCycLcW2t)d12=1(f12)12(f)，f=2GSS12（19）Ga和Wa(a=1t,2c,2t,2c)LtLcxtxcytycfGS式中：分别为织物单层板不同损伤形式下材料的单位体积断裂能密度和单位面积断裂能密度；和分别为拉伸和压缩载荷下的单元特征长度；和分别为 1 方向拉伸和压缩破坏应变；和分别为 2 方向拉伸和压缩破坏应变；为破坏起始剪应变；为最终破坏剪应变；为单位体积剪切断裂能。2.3疲劳有限元模型图 3 为采用 ABAQUS6.14 软件建立有限元模型，模型分固支约束段、工作段和加载段 3 部分，在厚度方向将层合板划分 8 层，每层划分一层网格，为提高计算精度单元类型选择为 C3D8R，沙漏控制选择增强模式，共划分 59280 个单元。载荷及约束条件为：加载段上下表面的面内施加剪切力载荷；固支段上下表面的所有节点施加固支约束。通过对 2 个准静态分析步施加最大疲劳载荷来实现 ABAQUS 对疲劳过程的模拟。第 1 个分析步对层合板施加拉伸载荷，大小与疲劳最大载荷相第7期许名瑞，等：湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能1617同；第 2 个分析步保持上一个分析步载荷不变，设置固定增量步大小，每个增量步代表一定循环数（500 个），根据当前循环数对材料刚度、强度性能进行衰减。使用织物复合材料为 CF3052/3238A，材料性能参数如表 4 所示。表4材料弹性工程常数Table4ElasticengineeringconstantsofmaterialsE1/GPaE2/GPaE3/GPaG12/GPaG13/GPaG23/GPa54.354.333003.262.172.17121323XT/MPaXC/MPaYT/MPa0.040.010.01680614.29680YC/MPaS12/MPaS13/MPaS23/MPa614.29115.9873.573.5采用 ABAQUS 自带的 Umat 子程序来对层合板进行疲劳分析模拟，在 Umat 子程序环境下使用Fortran 语言来编写材料的本构刚度退化方程和初始损伤失效判据以实现整个疲劳分析的渐进损伤演化，整个疲劳分析流程图如图 4 所示。开始读取材料基本性能参数应力计算判断是否损伤?根据循环数进行模量、强度退化模量渐进退化判断是否破坏?结束NNYY图4疲劳仿真分析流程图Fig.4Flowchartoffatiguesimulationanalysis3结果与讨论3.1拉伸静力试验结果3 种环境下各完成了静力拉伸试验件 3 件，平均拉伸强度性能如表 5 所示，对比 RTD 环境，ETW环境拉伸强度下降约 8.71%，而 CTD 环境拉伸强度则提高了2.16%，湿热环境对弹性模量几乎没有影响。表53 种湿热环境条件下拉伸静力试验结果Table5Tensilestatictestresultsunderthreedifferenthygrothermalenvironments环境最大载荷/kN拉伸强度均值/MPa弹性模量/GPaRTD48.39679.5854.3CTD50.53694.2454.1ETW45.05620.4152.53.2疲劳试验结果3.2.1湿热环境对层合板疲劳性能的影响疲劳试验结果如表 6 所示，共完成 3 种环境的疲劳试验，每种环境分 4 组试验，每组试验包含4 个试验件,其寿命全部列在表 6 的疲劳寿命一栏中，每个环境下的应力水平是对应其拉伸强度均值的相对值。图 5 为对数坐标下的线性曲线拟合，可知同样应力水平下疲劳寿命 N 依次为：NRTDNCTDNETW，选取N=106次时的拟合曲线结果进行对比，此时RTD、CTD 及 ETW 环境下的疲劳强度依次为 578.0MPa、576.0MPa 和 441.6MPa。从图 5 可知，相比 RTD 环境，CTD 及 ETW 环境下的疲劳强度依次降低了 2.76%和 23.77%，而对比拉伸强度 CTD 环境下提高了 2.16%，ETW 环境下降低了 8.71%，可见低温对正交层板的拉伸强度和疲劳强度影响都较小，而饱和吸湿和高温的共同作用对其疲劳性能影响显著。图 6 为线性坐标下的正规则化疲劳 S-N 曲线，采用文献 20 中的方法通过对横坐标和纵坐标分别引入 N=106和各自的拉伸强度可以获得，可以更明显看到疲劳强度与循环次数的变化趋势。从图 6 明显看到疲劳强度下降分为 2 个阶段“A”阶段和“B”阶段，“A”阶段为快速下降阶段，整个循环次数占比 20%，而疲劳强度下降占比却超过了 80%；“B”阶段为缓慢下降阶段，循环次数占比 80%，而疲劳强度下降占比却不到 20%。式（20）为采用文献 21 建立的 Wohler 疲劳 S-N 方程来对试验数据进行线性函数拟合。S=A+BlgN（20）SNAB式中：为最大疲劳应力；为疲劳寿命；和 为曲线参数。拟合得到 3 种环境下的疲劳 S-N 曲线分别为SRTD=685.8217.97lgNRTD（21）SCTD=672.0118.33lgNCTD（22）SETW=718.3346.29lgNETW（23）固支约束段工作段加载段图3有限元模型Fig.3Finiteelementmodel1618北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年3.2.2破坏模式分析3 种环境下的疲劳破坏形貌如图 7 和图 8 所示，可知 RTD 和 ETW 环境下伴随着纤维断裂、基体开裂和分层等破坏模式，RTD 环境下疲劳断口的分层破坏连续贯穿整个厚度方向，ETW 环境下分层破坏并不连续只在下半部分出现较多。而 CTD环境下疲劳断口基本以纤维断裂为主，断口形貌非常平整，分层及基体开裂现象较少，CTD 和 RTD 环100101102103104420460500540580620660RTD RTD拟合CTD CTD拟合ETW ETW拟合最大应力/MPa循环次数/103y=685.8217.97x(R2 =0.418 8)y=718.3346.29x(R2 =0.729 3)fittedy=672.0118.33x(R2 =0.661 5)fittedfitted图5正交层合板 3 种湿热环境下的 S-N 曲线Fig.5S-Ncurveoforthogonallaminateunderthreedifferenthygrothermalenvironments00.20.40.60.81.01.21.40.700.750.800.850.900.95疲劳强度/拉伸强度循环次数/106RTD RTD拟合CTD CTD拟合ETW ETW拟合A阶段B阶段图6正交层合板 3 种湿热环境下的正规则化 S-N 曲线Fig.6NormalizedfatigueS-Ncurveoforthogonallaminateunderthreedifferenthygrothermalenvironments(a)RTD(b)CTD(c)ETD图7正交铺层层合板 3 种环境下的疲劳破坏形貌Fig.7Fatiguedamagemorphologyoforthogonallaminatesunderthreedifferenthygrothermalenvironments(a)RTD(b)CTD(c)ETW图8正交铺层层合板 3 种环境下沿厚度疲劳破坏形貌Fig.8Fatiguedamagemorphologyalongthicknessoforthogonallaminatesunderthreedifferenthygrothermalenvironments表63 种湿热环境下的疲劳试验结果（应力比R=0.0526）Table6Fatiguetestresultsunderthreedifferenthygrothermalenvironments(StressratioR=0.0526)湿热环境应力水平/%最大应力/MPa疲劳寿命/次RTD85.1,83.1,83.1,83.1578,564.4,564.4,564.4,3699,508210,753116,120033187.1,87.1,85.1,85.1591.6,591.6,578,57843027,545041,1200200,4112390.1,90.1,90.1,89.1612,612,612,605.2159724,22975,67479,37837894.1,92.1,92.1,92.1639.2,625.6,625.6,625.61836,33665,8491,17341CTD80555.21130123,1072928,466931,76075883576.02113964,141959,241866,15520385589.997129,103678,19140,361087603.7812530,211101,7681,4500ETW70555.21305108,356100,98753,75587475576.0133981,678850,578040,39057684589.947578,36791,11762,8878486603.836877,15680,7160,4955第7期许名瑞，等：湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能1619境下疲劳性能差别较小，但是破坏模式相差较大，这是由低温导致基体脆化造成的。3.3有限元结果3.3.1模型验证疲劳寿命最终计算结果和试验结果对比如表 7 所示，以 RTD 环境下拉伸强度的 83.1%，即564.4MPa 为施加疲劳最大载荷进行有限元分析,在工作段和固支约束段的交界处因为结构刚度变化大存在应力集中，因此，首先会在交界处表面 12层单元出现纵向纤维拉伸损伤；随着增量步的增加，损伤在厚度方向缓慢扩展；纵向纤维拉伸损伤贯穿整个厚度方向，此时试验件发生完全破坏，可以得到有限元预测值为 635074 次。试验测得寿命循环次数为 1200200、753116、和 508210，取均值820509，最终破坏位置和破坏模式如图 9 所示，有限元计算与试验结果基本一致，可见此方法可以有效预测湿热环境下的疲劳寿命。表7有限元模拟预测值与试验值对比Table7Comparisonbetweenpredictedvaluesoffiniteelementsimulationandtestvalues有限元数值循环次数对数寿命试验值1#12002006.082#7531165.873#5082105.71均值8205095.89预测值6350745.80注：有限元预测值与试验值均值的循环次数误差为22.6%，对数寿命误差为1.5%。破坏位置和破坏方式一致图9有限元计算和试验结果最终破坏模式对比Fig.9Comparisonoffinaldamagemodesbetweenfiniteelementcalculationandtestresults3.3.2不同湿热环境下的疲劳寿命影响为探究温度和湿度耦合作用对复合材料层合板疲劳寿命的影响，保持载荷为 591.5MPa 不变，通过有限元模型计算不同温度（20、35、45、55 和 65）和不同吸湿量（0%、0.5%、1%、1.5%和 1.8%）共同作用下层合板的疲劳寿命。图 10 为针对不同湿度和温度组合，经有限元计算得到的疲劳寿命。以吸湿量为横轴，温度为纵轴，将计算得到不同湿热状态下的疲劳循环次数值画在一个宫格图中。以寿命循环次数降到室温干态下值的十分之一为临界值，将湿热环境对疲劳寿命的影响分为强影响区和弱影响区，分别以深灰色和浅灰色标记。可以看出，温度对复合材料疲劳寿命的影响更为严重，当温度达到 45 时，所有吸湿量下的寿命均处在强影响区。若对疲劳寿命数值取对数，再做归一化处理，则宫格图如图 11 所示。假设温度和湿度对于复合材料疲劳寿命的影响是相互独立的，由图 11 中数据，拟合可得到复合材料疲劳寿命湿热影响系数 f 的表达式为f=lgNlgN0=10.194(MM)1.9030.373(T T0T1T0)1.004（24）fNN0式中：为湿热影响系数；和分别为湿热环境114 50065 00012 00018 00035 50028 00014 5007 0007 0007 50010 0007 5001 5002 0007 0008 0005 500001 5001 500000000.51.81.51.0吸湿量/%2035455565温度/图10不同湿热状态下寿命循环次数Fig.10Numberoflifecyclesunderdifferenthygrothermalconditions10.9510.8060.8410.8990.8790.8230.7600.7600.7660.7910.7660.6280.6530.7600.7720.739000.6280.6280000吸湿量/%2035455565温度/00.51.81.51.0图11对数寿命循环次数归一化Fig.11Normalizationoflogarithmiclifecycles1620北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年MTT0T1和 RTD 环境下的寿命循环次数；M 和分别为层合板当前吸湿量和最大吸湿量；为当前温度；为参考干态温度；为最高温度，取 65。4结论1）相对于 RTD 环境，拉伸强度在 CTD 和 ETW环境下分别上升了 2.16%和下降了 8.71%，湿热环境对拉伸模量几乎没有影响。2）N=106时，相对于 RTD 环境，CTD 和 ETW环境下疲劳强度分别下降了 2.76%和 23.77%，可见低温对疲劳性能影响较小，饱和吸湿和高温联合作用对疲劳性能影响显著，且远超过对拉伸强度的影响。3）正交层合板的 S-N 曲线可以明显分为疲劳强度快速下降阶段和缓慢下降阶段，在快速下降阶段，不到 20%的循环次数其疲劳强度下降超过了整个总额的 80%。4）RTD 和 ETW 环境下以纤维断裂、分层损伤为主，RTD 环境下的分层损伤贯穿整个厚度，ETW环境下的分层则不连续在下半部分出现较多，CTD环境下疲劳断口平整基本以纤维断裂为主。5）数值分析讨论表明温度对疲劳性能的影响要明显强于湿度，而且当温度超过 45 时所有湿度的影响都处于强影响区。6）本文提出一种复合材料疲劳寿命湿热影响系数的确定方法，可用于不同环境条件下复合材料结构的寿命评估。参考文献（References）陈浩然,息志臣,贺晓东.复合材料层合板的热变形非线性分析J.大连理工大学学报,1994,34(3):280-286.CHENHR,XIZCD,HEXD.Nonlinearanalysisofthermalde-formations of composite laminates 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