復(fù)合材料疲勞壽命實(shí)驗(yàn)研究試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個正確答案，請將正確選項(xiàng)字母填入括號內(nèi)）1.在復(fù)合材料疲勞壽命實(shí)驗(yàn)中，最常用的加載波形是（）A.正弦波B.三角波C.方波D.鋸齒波答案：A2.對于碳纖維/環(huán)氧層合板，在R=0.1、頻率10Hz條件下進(jìn)行拉拉疲勞試驗(yàn)，若其SN曲線斜率絕對值k=12，則其疲勞極限對靜強(qiáng)度σb的百分比最接近（）A.45%B.55%C.65%D.75%答案：C3.在ASTMD7791標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的疲勞試樣標(biāo)距段寬度公差為（）A.±0.05mmB.±0.10mmC.±0.15mmD.±0.20mm答案：B4.當(dāng)采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)監(jiān)測試樣表面裂紋時，散斑圖的最佳對比度通常要求散斑直徑為相機(jī)像素尺寸的（）A.1/2B.1C.2D.4答案：C5.在疲勞壽命分散性統(tǒng)計中，對數(shù)正態(tài)分布的變異系數(shù)COV與Weibull分布形狀參數(shù)m的近似關(guān)系為（）A.COV≈1.2/mB.COV≈1.0/mC.COV≈0.8/mD.COV≈0.5/m答案：A6.若某T800/M21層合板在室溫下疲勞加載時基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=190℃，當(dāng)試驗(yàn)溫度升至120℃，其疲勞壽命預(yù)計下降倍數(shù)最接近（）A.1.5B.3.0C.5.5D.8.0答案：B7.在疲勞斷口SEM觀察中，纖維拔出的典型長度與界面剪切強(qiáng)度τ的關(guān)系為（）A.與τ成正比B.與τ成反比C.與τ2成正比D.與τ2成反比答案：B8.采用應(yīng)力比R=1進(jìn)行拉壓疲勞時，層間剪切裂紋最易萌生的位置是（）A.0°層中心B.90°層中心C.0/90界面D.90/45界面答案：C9.在疲勞壽命預(yù)測模型中，剩余剛度退化率dE/dN與疲勞模量E的關(guān)系通常表示為（）A.dE/dN∝E2B.dE/dN∝EC.dE/dN∝1/ED.dE/dN∝lnE答案：B10.當(dāng)采用恒定應(yīng)變幅控制時，若基體開裂密度達(dá)到飽和，則試樣縱向彈性模量下降幅度一般不超過（）A.5%B.10%C.15%D.20%答案：B二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個或兩個以上正確答案，多選、少選、錯選均不得分）11.下列哪些因素會導(dǎo)致復(fù)合材料疲勞壽命數(shù)據(jù)離散性增大（）A.纖維體積分?jǐn)?shù)±2%波動B.孔隙率1%→3%C.加載頻率5Hz→10HzD.試驗(yàn)室濕度30%→70%答案：ABD12.關(guān)于層合板疲勞剛度退化曲線，下列描述正確的是（）A.第一階段退化速率最快B.第二階段近似線性C.第三階段伴隨纖維斷裂D.第三階段剛度下降可達(dá)50%答案：BCD13.在疲勞壽命實(shí)驗(yàn)中，采用自加熱溫升ΔT作為失效判據(jù)時需滿足（）A.ΔT>5℃B.溫升速率dT/dN>0.1℃/千周C.紅外熱像儀幀頻≥50HzD.試樣表面發(fā)射率≥0.9答案：BD14.下列哪些無損檢測方法可用于疲勞裂紋在線監(jiān)測（）A.超聲C掃描B.聲發(fā)射C.渦流D.數(shù)字圖像相關(guān)答案：ABD15.在建立疲勞壽命可靠性模型時，需考慮的統(tǒng)計量包括（）A.樣本中值壽命B.置信水平C.可靠度D.顯著性水平答案：ABC三、填空題（每空2分，共20分）16.在ASTMD3479標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的疲勞試樣厚度為________mm，寬度為________mm。答案：2～3，1517.當(dāng)采用Weibull分布描述疲勞壽命時，其累積失效概率函數(shù)F(N)=________。答案：1exp[(N/Nc)^m]18.若某CFRP層合板在應(yīng)力水平σmax=600MPa下疲勞壽命Nf=1×10?周，則其Basquin模型指數(shù)b=________（已知靜強(qiáng)度σb=1200MPa）。答案：0.08319.在疲勞斷口上，疲勞條紋間距Δd與裂紋擴(kuò)展速率da/dN的關(guān)系為________。答案：da/dN=Δd·f，其中f為加載頻率20.當(dāng)采用剩余強(qiáng)度退化模型時，剩余強(qiáng)度σr(N)與初始強(qiáng)度σ0的關(guān)系可表示為σr(N)=σ0[1________]。答案：(N/Nf)^c21.在層間疲勞測試中，常用________試樣進(jìn)行II型加載。答案：ENF（端部缺口彎曲）22.若某試樣在疲勞加載過程中自加熱溫升達(dá)到ΔT=15℃，則其基體黏度下降約________%。答案：3023.當(dāng)采用紅外熱像法預(yù)測疲勞壽命時，熱信號與應(yīng)力幅的平方成正比，該關(guān)系稱為________定律。答案：熱彈性24.在疲勞壽命實(shí)驗(yàn)中，若加載頻率提高一倍，則試樣自加熱溫升約增加________倍。答案：1.425.對于纖維主導(dǎo)疲勞，裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的關(guān)系滿足________定律。答案：Paris四、簡答題（每題8分，共24分）26.簡述復(fù)合材料疲勞SN曲線與金屬材料SN曲線的主要差異，并給出兩點(diǎn)原因。答案：(1)復(fù)合材料SN曲線通常沒有明顯的疲勞極限，壽命隨應(yīng)力降低持續(xù)增加；(2)復(fù)合材料曲線斜率絕對值更大，對數(shù)壽命分散性顯著高于金屬；原因：①纖維/基體界面弱，裂紋易早期萌生；②各向異性導(dǎo)致多模式損傷耦合，加速剛度退化。27.說明在疲勞壽命實(shí)驗(yàn)中采用“剩余剛度法”定義失效的優(yōu)點(diǎn)與局限。答案：優(yōu)點(diǎn)：①可連續(xù)監(jiān)測，無需停機(jī)；②對早期損傷敏感，可捕捉剛度退化三階段；③適用于在線健康監(jiān)測。局限：①失效判據(jù)人為設(shè)定（如E下降10%），與真實(shí)破壞不完全對應(yīng)；②需高精度引伸計或DIC，成本較高；③對纖維斷裂不敏感，可能高估壽命。28.列舉三種抑制層間剪切疲勞裂紋擴(kuò)展的增韌方法，并給出機(jī)理。答案：(1)層間插膜：在0/90界面插入熱塑性尼龍66薄膜，通過塑性變形吸能；(2)碳納米管噴涂：在界面形成CNT橋聯(lián)，提高τIIc并降低裂紋尖端應(yīng)力集中；(3)3D針刺：Z向纖維束阻礙層間滑移，使裂紋擴(kuò)展路徑偏轉(zhuǎn)，增加表觀斷裂韌性GIIc約40%。五、計算題（共31分）29.（10分）某T300/環(huán)氧層合板靜強(qiáng)度σb=1500MPa，Basquin模型σmax=σb(2Nf)^b，已知b=0.085。若設(shè)計壽命要求Nf=5×10?周，求允許最大應(yīng)力幅σmax。若安全系數(shù)取1.5，再求設(shè)計應(yīng)力。答案：σmax=1500×(2×5×10?)^(0.085)=1500×0.456=684MPa設(shè)計應(yīng)力=684/1.5=456MPa30.（10分）對某CFRP試樣進(jìn)行頻率掃描自加熱實(shí)驗(yàn)，測得溫升ΔT與頻率f關(guān)系為ΔT=0.8f^1.4。若試驗(yàn)室控溫25℃，要求ΔT≤10℃，求允許最高頻率。若實(shí)驗(yàn)需在f=15Hz下完成，求所需環(huán)境溫度上限。答案：10=0.8f^1.4→f=(10/0.8)^(1/1.4)=9.6HzΔT=0.8×15^1.4=0.8×34.8=27.8℃上限溫度=25+1027.8=7.2℃31.（11分）某[0/45/90/45]?s層合板在R=0.1、σmax=400MPa下疲勞，測得剛度退化曲線E(N)=E?[10.12(N/Nf)^0.6]，E?=135GPa，Nf=2×10?周。求：(1)N=1×10?周時的剩余剛度；(2)此時對應(yīng)的剩余強(qiáng)度σr，已知σr(N)=σb[1(N/Nf)^0.6]，σb=1200MPa；(3)若剩余強(qiáng)度退化至500MPa認(rèn)為失效，求失效周次。答案：(1)E=135[10.12(0.5)^0.6]=135×0.924=124.7GPa(2)σr=1200[10.5^0.6]=1200×0.340=592MPa(3)500=1200[1(N/Nf)^0.6]→(N/Nf)^0.6=0.583→N/Nf=0.583^(1/0.6)=0.352→N=0.352×2×10?=7.04×10?周六、綜合設(shè)計與分析題（共30分）32.（30分）某型風(fēng)機(jī)葉片主梁采用單向CFRP預(yù)浸料[0]??，設(shè)計厚度t=16mm，寬度w=80mm，靜載設(shè)計值σdesign=600MPa，要求疲勞壽命Nf≥10?周（R=0.1，室溫）?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：(1)靜強(qiáng)度σb=2400MPa，Basquin指數(shù)b=0.10；(2)孔隙率每增加1%，靜強(qiáng)度下降6%，疲勞壽命下降10%；(3)濕度每增加10%RH，靜強(qiáng)度下降3%，疲勞壽命下降5%；(4)采用真空袋壓工藝，孔隙率控制目標(biāo)≤1%，試驗(yàn)室濕度(60±10)%RH。請完成：a)計算在σdesign=600MPa下的理論疲勞壽命，并判斷是否滿足10?周要求；b)若孔隙率實(shí)測為2%，濕度70%RH，重新計算壽命并給出結(jié)論；c)為達(dá)到10?周壽命，提出兩條工藝改進(jìn)措施并量化效果；d)設(shè)計一個驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案，包括試樣尺寸、加載參數(shù)、樣本量、失效判據(jù)與數(shù)據(jù)處理方法。答案：a)理論：σmax=600MPa，Nf=(σmax/σb)^(1/b)/2=(600/2400)^(10)/2=0.25^(10)/2=1.05×10?/2=5.25×10?周＜10?，不滿足。b)孔隙率2%→σb=2400×0.94=2256MPa，濕度70%RH→σb=2256×0.97=2188MPa；Nf=(600/2188)^(10)/2=0.274^(10)/2=2.1×10?周，仍不滿足。c)措施：①采用熱壓罐工藝，孔隙率降至0.5%，σb回升至2400×0.97=2328MPa，Nf=(600/2328)^(10)/2=3.4×10?周；②增加界面增韌層，實(shí)驗(yàn)表明Basquin指數(shù)b改善至0.09，Nf=(600/2328)^(11.1)/2=1.2×10?周；③同步采用干燥儲存，濕度控制在40%RH，σb=2328×1.06=2468MPa，Nf=(600/2468)^(11.1)/2=2.0×10?周，仍不足，需降低設(shè)計應(yīng)力至450MPa，Nf=2.1×10?周，滿足。d)實(shí)驗(yàn)方案：試樣：ASTMD7