考虑各向异性力学行为的碳纤维增强复合材料多轴加载疲劳寿命预测方法

摘要整理

碳纤维增强复合材料（CFRP）因其轻量化特性被广泛应用，但由于材料的各向异性特征，在多轴应力状态下的可靠性评估仍存在挑战。本研究通过分析纤维取向诱发的各向异性行为，对短碳纤维增强聚酰胺-6（PA6-CF）和聚丙烯（PP-CF）的疲劳失效进行了系统研究。基于单向耦合注塑成型结构的静力学和疲劳试验及数值分析结果，建立了疲劳寿命预测方法。静拉伸试验中数值计算结果与实验值的最大偏差为3.16%，验证了数值模型的准确性。基于能量函数的半经验模型包含应力、应变和三轴度项，其中PA6-CF疲劳断裂时纤维断裂与基体开裂同时发生，而PP-CF由于基体与纤维间界面结合力较弱，在基体开裂后发生纤维拔出。所建模型对PA6-CF和PP-CF的相关系数分别达到98.1%和97.9%，可靠性得到验证。验证集预测误差分别为38.6%和14.5%。即使验证试样直接采集自横梁构件，PA6-CF的预测误差仍保持在38.6%的较低水平。研究表明，所开发的模型能够有效预测考虑各向异性和多轴应力状态的CFRP疲劳寿命。

相关论文