湿热环境对民机复合材料强度的影响研究

贾宝惠，刘萱，卢翔，蔺越国

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

湿热环境对民机复合材料强度的影响研究

贾宝惠，刘萱，卢翔，蔺越国

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

为研究民机复合材料层合板湿热环境下对其强度的影响，采用刚度折减理论，建立应力-应变本构方程，并利用Hoffman强度理论和刚度修正的方法，对复合材料单向板T300/3238A在5种湿热环境下和复合材料层合板CCF300/5228在湿热与干态常温2种环境下，分别进行强度分析。计算了初始层破坏载荷与极限载荷，并与实验数据对比分析，准确地预测此类复合材料层合板的整体失效过程、失效载荷及其在湿热环境作用下的强度影响。本研究利用实验与理论分析相结合的方法研究复合材料的湿热效应，提供一种适用于民机复合材料维修工程的分析方法。

复合材料；Hoffman强度理论；刚度修正；极限载荷；湿热效应

复合材料在民用飞机上的用量逐年提高,在B787和A350等民机结构重量中所占的比例已达50%以上。而国产客机ARJ21的复合材料占飞机结构重量的比例不足2%，C919约占12%。正在预研的国内下一代宽体客机复合材料的用量将大幅提升，或将接近B787水平。现代民机的主要结构不断使用纤维增强复合材料，大部分结构长期处于高温、高速及潮湿的恶劣环境中，其湿热环境不仅会在复合材料结构中产生额外的湿热变形及湿热内应力，还将大幅降低其本身的力学性能，失去承载能力。研究湿热环境对复合材料结构力学性能的影响，对民机复合材料结构的修理及维修工程分析具有重要的工程意义。

目前，国内外有许多科研人员都在从事复合材料湿热老化问题的研究，如Meziere[1]研究发现吸湿后复合材料性能的降低主要是由环氧树脂基体性能降低引起的。Scida[2]研究玻璃纤维/R1二维编织复合材料层合板湿热老化力学性能，发现基体吸湿后性能下降，纤维更早地承受更大载荷致使复合材料强度性能大幅下降。王佩艳[3]对复合材料QW280/5528的环境性能进行了试验研究，在135℃、95%相对湿度下，复合材料吸湿饱和后其拉伸、压缩、面内剪切和层间剪切强度的保持率分别为84.9%、71.6%、63.9%和48.7%。余治国[4]试验研究表明，在温度70℃、相对湿度85%的湿热环境中经过70天后，T700/环氧复合材料层合板的纵向和横向压缩强度分别降低了11.4%和16.6%，其他强度性能没有降低；T300/环氧复合材料的纵向、横向压缩强度和纵横剪切强度分别降低了25.7%、17.8%和11.5%，纵向拉伸强度略有降低，其他强度性能略有提高。郭稳学[5]、包建文[6]等对复合材料吸湿饱和后的压缩、弯曲和层间剪切强度进行了试验研究，表明湿、热同时作用时复合材料层合板的强度性能明显降低；130℃吸湿饱和的T300/NY9200G复合材料开孔压缩、层间剪切及三点弯曲强度保持率分别为49.9%、39%和33%；5284/T300复合材料150℃吸湿饱和下其弯曲强度和层间剪切强度保持率为64.4%和50%，130℃吸湿饱和下是71.0%和60%。

国内外研究湿热环境对复合材料强度的影响主要以试验分析为主，理论研究较少，且大多数试验测试条件不统一，理论研究也存在特定的假设，没有一种成熟的适用于工程应用的分析方法[7]。本文结合实验与理论分析研究，分别对比湿度、温度的影响，以及湿-热-力耦合作用对复合材料损伤的综合影响。充分避免实验的不确定性以及理论的理想简化带来的不真实性，提供一种可被工程接受和应用的分析与评定方法。

1 数学模型

复合材料层合板结构的宏观力学性能，不仅与基体、纤维各自的力学性能、层合板铺层次序、铺层角度和单层厚度等有关，而且还与其所处的环境有着密切的联系[8]。研究表明，湿热环境会在很大的程度上降低复合材料层合板结构的宏观力学性能[9-10]。

复合材料层合板是由多个基本元件单层板按照一定的纤维方向和叠层次序铺层而成，其整体强度可由单层板的应力与强度来预测。复合材料层合板的强度分析一般有2种方法：初始层破坏假定和极限破坏假定。初始层破坏假定，即只要层合板内任一单层发生破坏即认定层合板结构整体失效；极限破坏假定，即当层合板内某个单层破坏后，整体仍能承载，继续加载直至所有单层板都破坏后才认定层合板结构整体失效。层合板中各单层板的逐次破坏过程如图1所示。

对复合材料层合板进行强度分析是为了确定其极限破坏强度与极限载荷，一般而言，除特别重要的零部件外，以初始层破坏假定来衡量过于保守。本文采用极限破坏假定，对复合材料层合板逐层破坏过程进行强度分析，求其极限破坏强度与极限载荷。

图1 层合板的破坏过程Fig.1 Failure process of laminated plates

1）各单层板的热膨胀应变与湿膨胀应变

由于纤维和基体的热膨胀性能不同，纤维增强复合材料单层板的热膨胀性能也具有各向异性。在无外载情况下，正交各向异性复合材料单层板温度变化ΔT，材料主轴方向的热膨胀应变为

式中：ΔT为温度变化；α1、α2为复合材料单层板主轴方向的热膨胀系数。

同理，复合材料吸湿后产生变形，由于纤维和基体吸湿性不同，复合材料的湿度变形也表现为各向异性。复合材料在潮湿环境中吸收水分用吸水浓度C表示，分别为Cf和Cm，则吸水浓度C为

主轴方向的湿膨胀应变为

式中：β1、β2表示复合材料单层板主轴方向的湿膨胀系数。

2）层合板的湿-热-力耦合应变

本文研究的复合材料层合板的温度与湿度是缓慢均匀变化的，沿层合板厚度方向不变，只考虑最终状态量而不考虑其变化过程。复合材料层合板随着温度与湿度的变化，其结构内部会产生残余的应力与应变，直接影响了复合材料的破坏强度。此时，在湿-热-力耦合作用下复合材料层合板中任一点的应变应是机械力应变与温度、湿度残余应变之和，各单层板的偏轴应变为

式中：εx、εy、γxy分别为复合材料单层板x、y轴方向的线应变与面内剪应变，等式右边第1项为机械应变，第2项为湿、热残余应变。

3）Hoffman强度理论求第一屈服载荷

针对复合材料层合板结构拉伸强度与压缩强度不同，对比之下Hoffman强度理论在定性和定量方面都与实验值较为接近[11]。本文采用Hoffman强度理论预测层合板强度

式中：Xt、Xc为复合材料单层板的纵向拉伸、压缩强度；Yt、Yc为复合材料单层板的横向拉伸、压缩强度；S为复合材料单层板的面内剪切强度。

利用Hoffman强度准则，分别计算出各单层板破坏时的外载荷。其中，最小的外载荷值即为初始层破坏载荷，其强度即为初始层破坏强度，对应的单层板即是最先破坏的铺层。

4）复合材料单层板刚度修正

复合材料层合板中只要某一或某几单层板失效，整体刚度即发生改变，层合板的应力也将重新再分配。复合材料单层板刚度修正主要有2种方法：①层合板中只要某一单层板不论发生何种形式的破坏，均假定该层所有刚度全为0，此为完全破坏假设；②当层合板中某一单层板基体发生拉、压或剪切破坏时，E1保持不变，E2=0、G12=0，直至纤维发生断裂后，该层板的所有刚度才都全为0，此为部分破坏假设。在实际工程应用中，完全破坏假设过于保守，本文采用部分破坏假设的刚度修正方法。

5）求极限破坏强度与极限载荷

继续加载，重复1）～4）的过程，利用修正后的刚度计算出各单层板重新分配的应力，再进行Hoffman强度校核，检验其他单层板是否发生破坏。再次进行刚度修正-应力再分配-强度校核-判断失效，如此循环迭代，直至所有单层板全部失效，最终的载荷即为层合板的极限载荷，其强度即为极限破坏强度。

2 计算分析与讨论

2.1 单向层合板

本算例借鉴文献[12]中碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板T300/3238A实验试件数据，采用[0]16、[90]16、[±45]4s共3个算例，分别计算复合材料单向板试件在湿热环境中受拉伸及压缩载荷作用的初始破坏强度及极限载荷。试件属性如表1所示[12]。

表1 T300/3238A复合材料单层板力学性能Tab.1 Mechanical properties of T300/3238A composite single plate

借助数学分析软件Matlab对理论计算算式进行编程，输入相关实验条件变量，计算出不同算例拉伸和压缩时的破坏强度和总应变。Matlab计算结果与实验结果对比如表2所示。

由表中结果可见，破坏强度离散系数大致在10%以内，拉伸载荷更小,大致在5%以内，基本符合误差分散规律，适用于工程估算应用。个别破坏载荷离散系数较大，表现在90°压缩载荷时，且破坏强度均值明显不符合基本理论规律，可能是90°方向破坏形式变化范围较大，且不易测量或实验测量误差所致，可不计算在内。综合分析，Hoffman强度理论及刚度修正的湿-热-力耦合分析方法对于民机复合材料层合板结构的强度分析是较为准确的，能够适用于民用飞机复合材料的工程估算。

研究复合材料层合板结构在湿热环境下湿-热-力耦合作用的影响，可对比分析不同方向的单向板在不同湿热环境下受拉伸或压缩载荷作用下的影响分析。本例选取T300/5208A复合材料的3种试件层合板在5种湿热环境状态下的压缩破坏强度及拉伸总应变的理论计算结果分别进行对比分析，其柱状对比分析图如图2和图3所示。

对比分析图2可知，0°铺层单向板的破坏强度最大；45°铺层单向板的破坏强度次之；90°铺层单向板的破坏强度最小。同一湿度下（干态或水浸饱和），随温度的升高，0°和45°铺层单向板的破坏强度均表现为有明显降低，降幅相当；而90°铺层单向板的破坏强度略有下降。同一温度下（20℃或70℃），随着湿度的提高，复合材料单向板的破坏强度均略有下降，下降幅度较温度的影响小。对比图3可知，90°铺层单向板的总拉伸应变最大，在同一温度下，湿态环境较干态环境其总拉伸应变大大增大。

由此可见，增强碳纤维对温度的变化较为敏感，随温度的升高其性能衰减较为明显；树脂基体对湿度的反应较为敏感，随着湿度的提高其性能略有下降，同时温度的提高带来吸湿率的进一步加大，导致力学性能进一步下降。复合材料由纤维和基体组成，增强纤维为复合材料的主要承载部分，由于纤维几乎不吸湿，研究表明，吸湿基本不影响0°单向复合材料的拉伸性能[13]。相比较湿热环境对复合材料力学性能的影响，温度的影响较为明显，降幅较大，而湿度的影响较为微弱，影响不大。

表2 T300/3238A湿-热-力耦合计算结果与实验值对比Tab.2 Comparison between calculating results with experimental values of T300/3238A under hydrothermal coupling effect

图2 3种试件层合板压缩破坏强度Fig.2 Compression failure strength of three kinds of composite laminates

图3 3种试件层合板压缩载荷总应变Fig.3 Total tensile strain of three kinds of composite laminates

试件在电子扫描镜下的扫描图像如图4所示[14]。

图4 T300/3238A复合材料断口微观形貌Fig.4 Fracture morphology of T300/3238A composite laminates

对比0°和90°单层板在干态低温和湿态高温下的压缩载荷电子显微镜扫描图像，湿热环境对复合材料树脂基体的影响主要体现在水分对树脂基体的溶胀与水解，以及温度加速其吸湿性扩散作用，导致断链和水解交联，造成可逆和不可逆的破坏，从而降低复合材料的力学性能[15]。湿热环境对纤维-基体间界面的影响主要表现为基体的溶胀会对纤维产生一个大于界面粘结力的剪应力，引起界面脱粘破坏；水分渗透进入界面后破坏纤维与基体的化学结合，产生不可逆破坏。湿热环境会在很大程度上降低单层板复合材料的力学性能以及承载载荷。

2.2 多向层合板

本算例以文献[16]中碳纤维/环氧复合材料层合板CCF300/5228（碳纤维60%，环氧树脂40%）为例，计算试件湿热环境下拉伸载荷的初始强度及极限载荷强度。该复合材料层合板结构由16层等厚度的单向预浸带铺设压制而成，每层厚0.125 mm，采用[0/45/-45/ 90/0/45/-45/90]s铺层，制成135 mm×15 mm×2 mm的试件。单层板力学性能如表3所示[16]。

表3 CCF300/5228复合材料单层板力学性能Tab.3 Mechanical properties of CCF300/5228 composite laminate

在湿-热-力耦合作用下，采用第1节1）～5）分析过程进行计算。

利用Hoffman强度准则进行强度校核，计算各主轴方向的破坏载荷，确定CCF300/5228层合板的初始层破坏强度与初始层破坏载荷。之后依次对拉伸破坏的90°、45°与-45°、0°各单层板进行刚度修正，经分析计算进行第2次、第3次和第4次强度校核，直至层合板整体失效，得到复合材料层合板CCF300/5228的极限破坏强度和总应变，如表4所示。

此层合板的载荷-应变特性曲线如图5所示。

图5 CCF300/5228层合板载荷-应变特性曲线Fig.5 Load-strain characteristic curve of CCF300/5228 laminated laminate

表4 CCF300/5228复合材料层合板极限强度与应变Tab.4 Ultimate strength and strain of CCF300/5228 composite laminate

CCF300/5228层合板复合材料采用刚度修正理论求其极限承载更接近真实情况，极限载荷强度与初始强度差幅在224%以上，第1次、第2次、第3次校核的破坏强度与90°、45°、0°方向层合板强度分配较吻合，破坏强度升幅在78.13%和82.04%。层合板复合材料在70℃水浸湿热环境下其自身的力学性能和承载能力较明显地下降，相对常温干态环境，湿热环境下CCF300/5228复合材料层合板初始层破坏强度下降20.89%,极限破坏强度下降21.53%。

3 结语

1）温度对民机复合材料的力学性能有较大影响，在其可能的工作温度范围内，随着温度的升高，其力学性能逐渐降低；对比分析T300/3238A复合材料0°、90°、45°方向干态不同温度下的拉伸破坏强度，其随温度升高，强度降低的幅度较大，降幅约5.76%。

2）对比分析T300/3238A复合材料0°、90°、45°方向下的20℃干态和20℃水浸饱和吸湿或70℃干态和70℃水浸饱和吸湿，湿度对民机复合材料的力学性能有一定影响，随着吸湿程度的加剧，其力学性能略有下降，幅度远远小于温度影响。

3）在湿-热-力耦合作用下，单向板T300/3238A复合材料力学性能变化较明显，随温度升高、湿度提高其拉伸、压缩力学性能衰减较大。其中90°、45°方向力学性能下降相对较大，0°方向力学性能下降最小且下降程度远小于90°和45°方向。

4)在湿-热-力耦合作用下，层合板CCF300/5258复合材料逐层破坏力学性能下降较单向板T300/ 3238A力学性能下降影响幅度更大；Hoffman强度理论及刚度修正的湿-热-力耦合分析方法对于民机复合材料强度分析是较为准确的，能够适用于工程估算。

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（责任编辑：杨媛媛）

Study on effect of hydrothermal environment to civil aircraft composite laminates strength

JIA Baohui,LIU Xuan,LU Xiang,LIN Yueguo
（College of Aeronautical Engeneering,CAUC,Tianjin 300300,China）

Based on modified stiffness theory,the hydrothermal effect on composite laminates of civil aircraft is studied. Specifically,the strength of unidirectional composite board T300/3238A under five kinds of hydrothermal conditions and laminate CCF300/5228 under ghydrothemal environment and normal dry state are studied with mathematical model of stress-strain constitutive equation,Hoffman strength theory and stiffness correction method.Lastly,initial layer cracking load and ultimate lod are calculated and then compared with experimental data,the over all failure process,failure load,and strength impact in hydrothermal environment of this composite laminate can be predicted accurately.Combinng with experiments and theoretical method,this approach is feasible to analyze the hydrothermal effect on composite laminates in civil aircraft maintenance applications.

composite laminates;Hoffman strength theory;stiffness correction;failure load;hydrothermal effect

V257；TB332

A

1674－5590（2017）01－0011－06

2016-01-04；

2016-03-17

国家自然基金重大预研项目（3122014P002）；中央高校基本科研业务费专项（3122014D016，3122015C010）

贾宝惠（1971—），女，山西运城人，教授，硕士，研究方向为飞机维修工程分析与适航技术、飞机机电系统及其性能.