图 : ?: ?@三种类型复合材料同一冲击能量水平冲击损伤面积比图 : ?: ?-@三种类型复合材料冲击后较压缩破坏应变比较
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第四节 层合板疲劳特性
确定和评价复合材料在交变载荷作用下的性能（损伤与破坏等）是复合材料工程应用，特别是在航宇方面应用必须考虑的问题。大量研究结果表明，复合材料具有优异的疲劳性能。
一、复合材料疲劳行为特点
各向同性金属材料在疲劳载荷作用下，可以观察到明显的单一主裂纹有规律的扩展。而各向异性复合材料，大量试验结果表明，疲劳载荷作用下，表现出非常复杂的破坏机理。
复合材料本身存在有基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂等多种损伤形式。同时，复合材料对应变，特别是压缩应变，尤为敏感。较大的施加应变将使纤维与基体变形不一致，引起基体开裂、界面脱胶乃至分层，形成疲劳源。压缩应变将使复合材料出现纵向开裂或失稳现象，促使分层迅速扩展。复合材料层合板在疲劳载荷的作用下，上述损伤形式相继交错出现，并按择优方向扩展遍及整个试样。具体损伤出现的形式和程度，与材料性能、层合板的铺层顺序，以及疲劳加载类型等因素密切相关。复合材料与金属材料疲劳损伤增长之间的差异可以用图形简略地描述。虽然复合材料的初始缺陷比金属材料大，然而多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料疲劳行为呈现出很好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因而有较大的临界损伤尺寸。
复合材料疲劳应力一寿命曲线（ "—）曲线平坦，疲劳门槛值高。但是，寿命分散性大，而且一般仅有条件疲劳极限。同时，复合材料疲劳性能和其静强度性能一样，易受环境（湿 热）、冲击损伤等影响。
二、疲劳损伤机理与疲劳寿命图
这里介绍拉伸疲劳损伤机理与疲劳寿命图。
单向复合材料正轴拉伸疲劳时，基体内首先形成分散的横向裂纹，而后在纤维断裂处形成局部的裂纹扩展、界面脱胶。由于纤维损伤引起的基体裂纹增长，和基体裂纹扩展造成的纤维桥接，以及它们的组合情况。
三、复合材料疲劳特性
复合材料疲劳特性以应力 %寿命（ "%）关系式给出，目前常用的 "%曲线拟合方程为
&"’ () •+**•
" %"& "’ ()
式中： 和 %均为材料常数，根据试验结果，用最小二乘法估算。
复合材料疲劳特性主要影响因素是压缩应变和高应变（高应力）水平。因此，复合材料疲劳性能测试多进行压一压（ * ()）和拉一压（ *( +）的疲劳试验，而金属材料一般进行 * (),的拉一拉疲劳试验。
平均应力对 -.*/［) 0 12 0 3) 0 —12］ 疲劳强度的影响［) 0 12 0 3) 0 —12］ 层合板拉
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伸和压缩强度相等，其等寿命曲线基本上与 *( +轴（零平均应力轴）对称，略偏向拉伸一侧。这说明，平均应力的影响是可以忽略的，或者说与拉一拉、拉一压和压一压加载方式无关。而［)0 67)］5层合板拉伸强度比压缩强度大一倍，其等寿命曲线峰值整体向拉伸方向偏移。这说明平均应力对［)0 67)］ 层合板疲劳寿命有显著影响。
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带切口（圆孔、裂纹）试样疲劳数据表明：大多数复合材料层合板在整个寿命期内，有切口试样的 &—’曲线几乎与无切口试样的相同，切口效应几乎不存在。交变载荷作用下，切口边缘的损伤缓和了切口尖端附近的 ,应力集中。因而，复合材料层合板切口试样，有着良好的疲劳性能。甚至，疲劳加载后切口试样的剩余强度往往会大于其切口试样静强度。
聚合物基体高分子材料的粘弹性，使基体对加载速率和温度敏感。纤维的导热性将直接影响疲劳试验过程中试样内的热扩散。实验结果表明：对于大多数碳纤维复合材料纤维控制层合板加载情况，如 )8层所占比例较大的层合板，轴向载荷疲劳情况， 9 7):;范围内疲劳寿命基本相同，频率影响可以忽略不计。而对于基体控制的层合板和玻璃纤维复合材料层合板，如［ 6 12］<5层合板，随着试验频率的增加，试样温度升高明显，疲劳寿命缩短。因此，目前疲劳试验工作频率多取 2:;以下，以 2:;为宜。
温度和湿度是影响聚合物基复合材料力学性能的主要环境因素，不仅使材料固有性能（模量和强度）恶化下降，而且吸湿会降低聚合物基体的玻璃化转变温度。疲劳试验结果表明： =)-32> *:试验条件下， * (),和 疲劳载荷情况 &—’曲线比室温、 1)> *:情况下降 )> 9 4)>。低温对疲劳寿命的影响几乎可以忽略（基本无影响）。
综上所述，复合材料优异的疲劳性能，使复合材料结构寿命设计可采用“静力覆盖疲劳设计”的疲劳门槛值方法。
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第四章 结构设计要求、设计原则与使用环境
第一节 结构设计目标和要求
一、结构设计目标
复合材料飞机结构设计目标与金属材料结构基本相同，可归纳为如下几点：（"）军用飞机结构应满足有关规范规定的结构完整性要求；民用飞机结构应满足
有关适航条例规定的结构设计要求。（）满足结构设计目标寿命（飞行小时数、起落次数、日历年，以先到期者为限）。（）复合材料结构的安全水平，不能低于同类金属结构。（%）结构应有明显的（"&’ ( )’或更大的）减重效果。（&）尽力降低寿命周期费用。寿命周期费用（ *+,-./.*-.012）是全面反映系统财
政资源消耗的一套综合参数；由初步设计、方案验证、全面研制、生产、使用和保障、退役和处置等所有相关费用的总和构成；是装备系统最主要性能参数之一。
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