【摘 要】
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纤维增强金属层板（Fiber Reinforced Metal Laminates,简称FRMLs,又称纤维金属层板,简称FMLs）是由金属层与纤维增强树脂复合层交替铺放而成的一种夹层型复合材料,具有优良的疲劳和损伤容限性能。到目前为止,针对纤维金属层板中ARALL和GLARE层板的材料性能已进行了较多的研究,而对于其他较新的纤维金属层板材料性能的研究相对较少。相关研究工作主要集中于材料的拉伸行为
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纤维增强金属层板（Fiber Reinforced Metal Laminates,简称FRMLs,又称纤维金属层板,简称FMLs）是由金属层与纤维增强树脂复合层交替铺放而成的一种夹层型复合材料,具有优良的疲劳和损伤容限性能。到目前为止,针对纤维金属层板中ARALL和GLARE层板的材料性能已进行了较多的研究,而对于其他较新的纤维金属层板材料性能的研究相对较少。相关研究工作主要集中于材料的拉伸行为及恒幅、变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为;对于疲劳裂纹萌生寿命的研究较少,而对于层板的疲劳总寿命的研究工作更不多见。本论文以新型的纤维增强金属层板——玻璃纤维增强2060铝锂合金层板为研究对象,系统地研究典型变幅载荷下的疲劳性能及寿命预测方法,旨在为纤维金属层板的结构寿命设计及寿命预测提供理论依据和分析方法。论文通过开展新型纤维金属层板及其组分金属材料在恒幅及典型过载（周期单峰拉伸过载、周期单峰压缩过载和周期高低加载）条件下的疲劳S-N曲线试验,系统地研究了在相同过载（周期单峰过载及周期高低过载）条件下层板与其组分金属材料的疲劳S-N曲线之间的关系,分析了过载形式对于不同材料恒幅疲劳性能的影响。根据两种情况（相同加载方式不同材料、不同加载方式相同层板材料）下的S-N曲线特征,针对不同的典型过载情况分别提出了两种新型纤维金属层板的疲劳寿命预测模型。通过开展新型纤维金属层板材料在Mini-Twist谱条件下的疲劳寿命试验,探索适用于新型纤维金属层板复杂谱载下的寿命预测方法,并讨论了平均应力修正方法及损伤失效准则对寿命预测准确度的影响。具体研究工作包括:（1）研究不同加载方式下新型纤维金属层板疲劳性能的特点及预测层板变幅载荷下的疲劳寿命,设计合理的疲劳试验方案。通过开展新型纤维金属层板及其组分金属材料在恒幅、周期单峰过载、周期高低加载及谱载下的疲劳S-N曲线试验,获得了大量的疲劳寿命试验数据。（2）为了确定纤维金属层板金属层应力,探索纤维金属层板中金属层应变的在线测量方法——数字图像关联技术（DIC法）。为了验证该方法的有效性,以本文研究的新型纤维金属层板为例,分别采用DIC法和有限元法确定金属层应力。结果对比表明:DIC法计算的金属层应力与有限元仿真结果吻合良好。本文采用DIC法,成功实现了纤维金属层板中金属层应变的在线测量。（3）研究纤维金属层板金属层应力预测的解析方法,分析传统经典理论求解层板金属层应力的不足之处。针对该问题,本文引进层板刚度性能等效的概念修正层板理论,即采用子层刚度法和能量法修正层板理论,对金属层应力进行预测。通过对比经典层板理论结果和DIC结果,验证了该修正方法的先进性。为后续纤维金属层板的性能分析及准确预测提供了先决条件。（4）通过恒幅R=0.06及典型过载条件下新型纤维金属层板及其组分金属材料疲劳寿命及S-N曲线的分析,发现典型过载下层板的S-N曲线特征受到金属层应力和桥接效应情况的影响,且层数越多和施加应力越低,其桥接效应越明显;单峰拉伸过载和高低加载下,2/1层板及3/2层板均发生了过载迟滞效应,且高低加载下2/1层板发生了高低载荷损伤效应,而单峰压缩过载下,2/1层板及3/2层板过载效应均不明显。根据总结的S-N曲线特征,分别基于相同过载下层板组分材料的S-N曲线和恒幅载荷下层板的S-N曲线,提出了新型纤维金属层板在不同典型过载下的疲劳寿命预测模型。（5）分别研究了平均应力修正方法及损伤失效准则对新型纤维金属层板在谱载荷作用下疲劳寿命预测的影响。与此同时,考虑到非规则载荷谱特点,基于Hashin假设,根据Miner累计损伤理论,对Yao and Himmel模型进行了修正。研究结果表明:在平均应力修正模型中,基于分段线性模型预测方法的预测精度最高;在损伤失效模型中,基于修正模型预测方法的预测精度最高。
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