CFRP超高周三點彎曲疲勞熱效應(yīng)特性實驗與數(shù)值模擬

李冬春， 程 禮， 張小博， 丁均梁， 吳宇航

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院， 西安， 710038)

碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于其結(jié)構(gòu)輕便、高強度、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良特性，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是可能取代金屬材料的潛在材料之一[1-2]。

大多數(shù)由CFRP制造而成的結(jié)構(gòu)部件在實際應(yīng)用過程中會持續(xù)承受周期荷載的作用，材料疲勞成為一個重要的工程問題，自20世紀(jì)60年代以來，疲勞一直是世界復(fù)合材料研究的主要熱點之一[3]。隨著飛行器使用時間的增加，有些甚至可能長達30年[4]，飛行器結(jié)構(gòu)部件在其服役年限之內(nèi)承受的循環(huán)載荷周次遠超傳統(tǒng)的疲勞極限107，進入到超高周疲勞范疇[5]，因而研究CFRP材料的超高周疲勞特性對于充分發(fā)揮材料特性，保證飛行器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用安全具有重要意義。迄今為止，對于金屬材料，各國研究學(xué)者已經(jīng)取得了大量的實驗與理論結(jié)果。由于復(fù)合材料各向異性，非均質(zhì)性以及強后承載特性，將金屬材料疲勞理論直接用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計通常會導(dǎo)致過于保守。在近些年的發(fā)展過程中，CFRP超高周疲勞問題已經(jīng)慢慢成為研究的熱點，受到各國學(xué)者越來越多的重視。

Michel等人采用不同試驗頻率研究了碳纖維復(fù)合材料超高周疲勞特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料試件在超高周條件下仍會發(fā)生疲勞破壞[6]。Holmes等人研究了不同工作頻率下C/SiC材料的溫升特性，指出這是由于疲勞實驗中纖維、基體之間的相互摩擦，同時隨著頻率的增加，實驗溫度也隨之上升[7]。Staehler等人發(fā)現(xiàn)試件表面溫度的升高與加載頻率及所施加的循環(huán)應(yīng)力密切相關(guān)[8]。以上研究的常規(guī)實驗頻率最高只能達到1 kHz，而VHCF要求的疲勞循環(huán)次數(shù)很高，當(dāng)實驗頻率較低時，用于超高周疲勞問題研究會造成試驗周期長，能耗以及人工成本過高等實際問題，目前超聲疲勞試驗方法是超高周疲勞研究的主流方法[9-10]。

開展超高周CFRP超聲三點彎曲疲勞實驗難度較大，在試驗過程中會由于劇烈的溫升現(xiàn)象而導(dǎo)致實驗失敗[11]。有效的冷卻方式是確保CFRP超聲疲勞試驗順利開展的重要因素。為了確保實驗的順利進行，Daniel等人采用間斷加載以及壓縮空氣冷卻的方式研究了CFRP超高周疲勞特性，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部疲勞損傷會加劇試樣的溫升[12]。從目前的研究結(jié)果來看，傳統(tǒng)的壓縮空氣冷卻方式一般對壓頭與試樣接觸位置，支點與試樣接觸位置實行無差別冷卻，這類冷卻方式不利于提升冷卻效率，降低能耗。為了設(shè)計更加高效的冷卻方式，必須充分了解疲勞過程中的熱量分布，從而為冷卻方案的具體實施提供指導(dǎo)。

基于此，利用商用軟件ABAQUS CAE 6.14進行熱力耦合分析，得到疲勞過程中的主體產(chǎn)熱階段以及產(chǎn)熱位置，并制定基本冷卻原則；利用復(fù)合冷卻方式實現(xiàn)連續(xù)載荷下疲勞試驗的順利開展，最終得出CFRP試樣超高周三點彎曲疲勞損傷特性。

1 實驗與仿真

1.1 實驗材料

以航天科工武漢磁電公司生產(chǎn)的碳纖維/環(huán)氧樹脂基(HT3/5224)復(fù)合材料為研究對象，該材料的鋪層方式為[0/90°]s。試樣的制備過程主要包括碳纖維表面上漿劑的清洗、預(yù)浸料裁剪、裝模、成型，最后將復(fù)合材料板按照所需尺寸進行機械加工，直到尺寸檢測合格。最終CFRP試樣的纖維體積含量為56%，材料密度為1.45 g/cm3。其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合材料的材料參數(shù)

三點彎曲實驗試樣尺寸參照文獻[13]進行制作，同時結(jié)合ABAQUS對復(fù)合材料試樣開展建模及模態(tài)分析，最終得到的試樣尺寸如圖1所示，單位為毫米，試件的一彎振動諧振頻率為20 106 Hz，符合超聲疲勞試驗的頻率要求。

圖1 三點彎曲試樣尺寸示意圖

1.2 實驗設(shè)備

圖2為三點彎曲超聲疲勞試驗系統(tǒng)。超聲系統(tǒng)主要包含靜載荷加載系統(tǒng)、超聲動載荷加載系統(tǒng)兩部分，其中靜力加載系統(tǒng)主要由承力桿、承力盤、套筒以及深圳萬測提供的電子萬能試驗機等構(gòu)成，主要是提供平均彎曲應(yīng)力以及實現(xiàn)疲勞實驗過程中的力保載功能。超聲加載系統(tǒng)主要包括超聲波信號發(fā)生器、壓電陶瓷換能器、超聲變幅桿等組成，主要是提供為試件施加超聲振動載荷。壓頭和實驗臺支承設(shè)置為兩系統(tǒng)公用部分，共同保證疲勞試驗的正常加載。

圖2 超聲三點彎曲疲勞試驗系統(tǒng)

1.3 無冷卻超聲加載試樣溫度變化

由于超聲加載試驗的疲勞載荷頻率為20 kHz，超高的振動頻率會使得實驗過程中出現(xiàn)明顯的溫升現(xiàn)象[14]，而復(fù)合材料由于導(dǎo)熱性較差，溫升效應(yīng)更加明顯。因而在實驗過程中利用FlirT630紅外熱成像儀實時監(jiān)控試樣表面的溫度變化。對試樣進行超聲疲勞實驗，并記錄溫度隨時間的變化。如圖3所示。隨著疲勞載荷的加載，試樣表面溫度從一開始便出現(xiàn)劇烈增加，在第二秒時溫度已上升至90 ℃，從第六秒開始，試樣溫度大幅升高，第七秒時甚至已經(jīng)超過180 ℃，材料出現(xiàn)燒蝕的現(xiàn)象，如圖4所示。燒蝕的出現(xiàn)是由于試樣溫度超過其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg，環(huán)氧樹脂基體開始軟化，呈現(xiàn)液態(tài)特征，使得材料剛度下降，進而導(dǎo)致試件一階振動諧振頻率不滿足試驗要求，導(dǎo)致實驗中斷。因而在不采用冷卻方式的條件下復(fù)合材料超聲三點彎曲實驗無法順利進行。

圖3 實驗過程中溫度隨時間的變化曲線

圖4 發(fā)生燒蝕的試樣圖片(壓頭和試樣接觸位置)

1.4 超聲疲勞熱分析數(shù)值模擬分析

有效的冷卻方式是確保CFRP超聲疲勞試驗順利開展的關(guān)鍵。由于硬接觸以及摩擦特性，傳統(tǒng)的產(chǎn)熱位置設(shè)定在壓頭與試樣接觸位置以及兩個支點處，但由于疲勞加載是一個循環(huán)加載過程，因而需要進一步確定主體產(chǎn)熱階段以及產(chǎn)熱比重，這對于減少能耗，提高冷卻效率至關(guān)重要。采用商用軟件ABAQUS CAE 6.14內(nèi)熱力耦合方程對疲勞過程中的產(chǎn)熱過程進行分析。CFRP各向異性，采用3D應(yīng)力單元(C3D8R)，設(shè)置網(wǎng)格大小為0.5 mm，在計算過程中考慮了幾何非線性。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。將本征振動頻率下的循環(huán)振蕩模式等分為五個狀態(tài)，如圖6中A-E所示。

圖5 有限元模型網(wǎng)格劃分

圖6 不同狀態(tài)下試樣表面應(yīng)力分布

圖6為不同狀態(tài)下CFRP試樣表面應(yīng)力分布。有限元模擬計算能夠很好的表示試樣在循環(huán)加載過程中的受力情況。在不同狀態(tài)下，試樣底部中央位置的應(yīng)力均最大，這導(dǎo)致試樣的疲勞損傷位置大多位于試樣底部，此研究結(jié)果與文獻[15]相一致。從狀態(tài)A演化至狀態(tài)E，試樣低端由最大振幅變化至最小振幅，試樣位移以及表面應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。為進一步確定疲勞載荷下試樣的熱效應(yīng)，將試樣均分成兩部分進行建模，分別研究其熱效應(yīng)，進而確定試樣主體產(chǎn)熱階段以及產(chǎn)熱位置。圖7為疲勞過程中試樣表面的溫度分布。由圖7可以看出，Tp1>Tp4>Tp2、Tp3，即壓頭與試樣接觸部位產(chǎn)熱最高，支點處次之，試樣內(nèi)部產(chǎn)熱最低，這與文獻[16]研究結(jié)果類似。

圖7 疲勞過程中溫度分布

為進一步分析疲勞過程各狀態(tài)下試樣各位置的溫度及其變化率，取靜載和第一個疲勞載荷進行研究，如圖8和圖9所示。

圖8 疲勞過程中試樣不同位置溫度變化

圖9 疲勞過程中試樣不同位置溫度變化率

在疲勞載荷施加(apply cyclic load)之前，隨著靜載的持續(xù)作用，試樣內(nèi)部以及各硬接觸位置應(yīng)力增加，使得靜力彎曲過程中摩擦力增加，試樣的不同位置均出現(xiàn)一定的溫升。當(dāng)施加動載荷后，試樣各處溫度進一步增加，隨著動載荷加載至最大位移處，溫度變化率出現(xiàn)第一個峰值，壓頭與試樣表面接觸位置(P1)的溫度明顯升高，說明此時溫度變化劇烈，必須進行充分的冷卻，其中P1處被分配的冷氣要高于其他各處的冷氣量；振幅由最大狀態(tài)演化至最小狀態(tài)(A-E)，各位置溫度出現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的“平臺期”，溫度變化率幾乎趨近于零，這說明在該階段產(chǎn)熱并不明顯，此時可以適當(dāng)降低冷卻功率，降低能耗；而隨著振幅由最小狀態(tài)演化至最大狀態(tài)(E-A)，試樣溫度再次驟增，溫度變化率出現(xiàn)第二個峰值，在該階段產(chǎn)熱顯著，必須提高冷卻功率，迅速降低試樣實驗溫度，保證試樣溫度低于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg。

根據(jù)以上的分析，可以確定CFRP超聲三點彎曲疲勞實驗的基本冷卻原則為：

1)靜載過程中可以適當(dāng)?shù)膶υ嚇舆M行冷卻，防止靜摩擦作用引起試樣內(nèi)部的損傷。

2)疲勞加載過程是引起試樣燒蝕，中斷實驗的關(guān)鍵。為了降低能耗，確保不發(fā)生“過冷卻”以及“冷卻不足”，不同狀態(tài)下可以適當(dāng)調(diào)整冷卻方式。

3)支點與試樣的接觸位置(P1)最容易積聚熱量，發(fā)生燒蝕，因而必須在該處進行最有效的冷卻。

基于此，設(shè)計液氮以及壓縮空氣復(fù)合冷卻方式[16]，其中液氮冷卻是通過將金屬導(dǎo)管伸入液氮罐中，當(dāng)氣體經(jīng)過導(dǎo)管時溫度迅速降低，隨后利用低溫壓縮空氣在近試樣位置對試樣進行噴氣冷卻。圖10為冷卻位置分布，A區(qū)域為液氮冷卻方式，B、C區(qū)域為傳統(tǒng)的壓縮空氣冷卻位置。

圖10 不同冷卻方式噴氣位置分布

1.5 復(fù)合方式冷卻超聲加載試樣溫度變化

圖11為復(fù)合冷卻方式條件下疲勞實驗過程中試樣的溫度變化。

圖11 復(fù)合冷卻方式下實驗過程中溫度和頻率

總體來說，復(fù)合方式冷卻效果比較明顯，能夠有效確保CFRP超聲三點彎曲疲勞試驗的順利開展，并且能在相當(dāng)長的時間內(nèi)(t<8 750 s)將試樣表面的最高溫度控制在50 ℃以下，加載頻率保持在19 730 Hz左右，增大空氣壓縮機的效率可以對控制時間進行延長。當(dāng)試驗進行至N=2×108時試件的最高溫度已達到68.5 ℃，隨著試件溫度的升高，試樣內(nèi)部出現(xiàn)明顯的疲勞損傷形貌，超聲設(shè)備加載頻率明顯減小。

2 分析與討論

2.1 超高周疲勞S-N分析

S-N疲勞數(shù)據(jù)分析是研究材料疲勞性能研究的一個重要手段[17-18]。疲勞實驗終止的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為：當(dāng)諧振頻率下降50 Hz時，則認(rèn)為此時試樣內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷已經(jīng)足夠使得材料性能出現(xiàn)明顯的下降，因而停止實驗進程。圖12是應(yīng)力比為0.35時CFRP的疲勞壽命分布。整體來說，不同于傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料疲勞壽命具有分散性較大[19]，同時不存在傳統(tǒng)定義上的疲勞極限，即試樣在循環(huán)周次107后仍會發(fā)生疲勞破壞。最大應(yīng)力每下降約35 MPa，疲勞壽命增加一個數(shù)量級。當(dāng)最大應(yīng)力下降到440 MPa時，應(yīng)力循環(huán)周次可達到1×107，材料進入超高周疲勞范圍。當(dāng)最大應(yīng)力小于370 MPa時，試樣的疲勞壽命可達109，此時在CFRP試樣中并未發(fā)現(xiàn)典型的疲勞損傷形貌[6]，諧振頻率也無明顯的下降。

圖12 超聲疲勞S-N壽命

2.2 超聲疲勞復(fù)合材料試樣斷口形貌分析

為了進一步探究超高周CFRP三點彎曲疲勞斷裂機制，利用PXT-5T光學(xué)顯微鏡對已發(fā)生疲勞失效的試樣開展顯微觀察，以此來分析疲勞破壞特性如圖13所示。超高周疲勞失效試件的損傷位置大多集中于圖13(a)中b、c兩區(qū)域，這與Cui[15]等人的研究結(jié)果一致。由于材料本身各向異性，CFRP疲勞斷裂機制與金屬材料完全不同[20]。圖13(b)和圖13(c)分別為疲勞壽命為1.37×107、5.89×108時試樣的顯微觀測圖。在圖13(b)中可以清晰的看出失效試樣中，橫向纖維層與徑向纖維層間、纖維層與基體間存在明顯的分層現(xiàn)象，橫向裂紋貫穿相鄰的基體與纖維層，呈現(xiàn)出典型的疲勞損傷形貌。隨著最大彎曲應(yīng)力的減小，試樣的疲勞壽命增加，疲勞損傷形貌也發(fā)生了變化，如圖13(c)中所示，裂紋呈多源性萌生，基體處的微裂紋有相互連接、形成橫向裂紋的趨勢，且基體處的微裂紋數(shù)量要比纖維層處的微裂紋數(shù)量多，呈現(xiàn)出與孔蝕形貌的競爭機制[15]。

圖13 CFRP超高周疲勞顯微形貌

3 結(jié)語

通過對超高周CFRP三點彎曲疲勞熱效應(yīng)的仿真分析和實驗驗證可知，疲勞過程中主體產(chǎn)熱位置在壓頭與試件的接觸部位，其次在支撐試件的支點處。因此，對這兩處進行充分、有效的冷卻是保證實驗順利完成的關(guān)鍵?；诖?，對單次疲勞循環(huán)進行分解，發(fā)現(xiàn)溫升過程并不是均勻的，由此確定了實驗的基本冷卻原則，并制定了利用空氣和液氮復(fù)合冷卻的方案。

利用空氣和液氮復(fù)合冷卻的方式對CFRP順利開展了連續(xù)載荷下的超聲疲勞實驗，驗證了該方案的可行性。對S-N曲線和斷口形貌的分析發(fā)現(xiàn)，CFRP試樣疲勞壽命不存在傳統(tǒng)定義上的疲勞極限，在不同的彎曲應(yīng)力水平下，試樣內(nèi)部存在多種損傷形式競爭機制[15]。

在將要發(fā)生疲勞失效之前，試件會發(fā)生溫度的快速上升和頻率的快速下降，此時冷卻效果并不理想，需要對溫升原理和冷卻效果做進一步研究。