背景简介

三维编织碳纤维复合材料凭借复杂纤维结构及优异的抗层间裂纹扩展能力，成为复杂扭转载荷工况下传动系统关键轻量化部件的优选材料。在工程实际中，材料在承载过程中频繁承受循环扭转载荷，尽管这些载荷低于材料的扭转强度，但长期循环作用仍可能引发疲劳失效。作者前期研究已阐明该材料的纯扭转疲劳行为，但仍需进一步研究考虑实际工程载荷的多轴特性。目前，轴向载荷对三维编织碳纤维复合材料扭转疲劳行为的影响尚无明晰的研究。因此，揭示轴向和扭转复合疲劳载荷下的损伤机理并建立疲劳寿命预测模型，对三维编织碳纤维增强复合材料的工程设计与应用至关重要。本研究基于多尺度表征手段阐明了恒定轴向载荷对三维编织碳纤维复合材料的扭转疲劳寿命和损伤演化的影响，开发了考虑轴向载荷的疲劳寿命预测模型，并通过实验数据验证预测准确性。

成果介绍

（1）图1展示了恒定轴向载荷对三维编织碳纤维复合材料扭转疲劳寿命的影响。在等效剪应力幅值下的对比分析显示，轴向载荷为0的条件下寿命为2787次循环，-40 MPa压缩载荷下寿命降至1490次（降幅达47%），而40 MPa拉伸载荷下寿命则增至5007次循环。方向依赖性的轴向应变累积在不同载荷条件下表现迥异，压应力引发三阶段演化，而拉伸载荷则保持最小残余应变。滞环特征进一步证明压应力加速材料退化，与拉伸状态相比，-40 MPa工况下滞环斜率降低且面积扩张；而拉伸应力对损伤扩展的抑制作用也得到证实，其滞环形态保持相对稳定。

图1 恒定轴向载荷对扭转疲劳寿命的影响：(a) 扭转疲劳寿命与轴向载荷的散点图；(b) 轴向载荷引起的疲劳寿命变化

（2）图2展示了试样标距段在不同恒定轴向载荷下扭转疲劳过程中的应变演化。结果显示轴向载荷会导致非均匀应变分布，富树脂区域的局部低模量（仅为纤维束区域的1/3.94）引发应变集中。-40 MPa压缩载荷加速剪切应变局部化及纤维-树脂界面脱粘，诱发提前失效。而40 MPa拉伸载荷稳定了应变分布并将疲劳寿命延长至5000次循环以上。刚度退化呈现双阶段演变特征，拉伸载荷延长渐进退化阶段，压缩载荷则加速退化起始。力学机理上，拉伸应力通过抵消纤维束内剪切诱导的方向性应力来提升损伤阈值，有效抑制局部变形。反之，压缩-扭转协同效应通过互补应力相互作用加剧材料劣化，这种载荷依赖性应力耦合从根本上决定了损伤累积路径的差异性。

图2 不同恒定轴向载荷作用下扭转疲劳过程中剪切应变云图演化

（3）图3展示了试样在不同恒定轴向载荷下发生扭转疲劳破坏时的CT扫描重建结果。CT分析表明，轴向载荷方向对复合材料损伤演化具有关键调控作用：-40 MPa压缩载荷引发大面积损伤区（宽达17.48 mm），表现为纤维屈曲螺旋状裂纹，相较于中性载荷工况裂纹体积增加38%；而40 MPa拉伸载荷则将损伤限制在7.6 mm区域内，有效抑制裂纹扩展。截面切片图证实，压缩-扭转耦合效应驱动多向裂纹扩张，在拉伸载荷的作用下，损伤约束发生在主裂纹邻近区域。

图3恒定轴向载荷扭转疲劳后的试样三维CT损伤提取和二维截面切片：(a) σ=-40 MPa; (b) σ=-20 MPa；(c) σ=0 MPa；(d) σ=20 MPa；(e) σ=40 MPa；(f) 横截面切片σ=-40 MPa；(g) 横截面切片 σ=40 MPa；(h) 纵向截面切片σ=-40 MPa；(i) 纵向截面切片σ=40 MPa 

（4）基于疲劳过程中临界失效面的载荷分析及其与编织角的相关性，本研究建立了基于物理损伤机制的能量法多轴疲劳寿命预测模型。该模型通过平均应力修正项以考量轴向载荷影响，在宏观尺度处理了编织角相关的载荷再分配，结合微观损伤形态分析则将界面脱粘和纤维屈曲折裂失效面的应力应变参数整合为控制变量。不同轴向载荷作用下扭转疲劳寿命预测结果如图4所示，实验数据验证表明模型精度良好，所有数据点均落于两倍分散带范围内。

图4不同轴向载荷作用下扭转疲劳寿命预测结果：(a) 多轴疲劳寿命预测模型参数P与疲劳寿命关系；(b) 预测疲劳寿命与实验疲劳寿命的比较

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（No. 12202305，51435012，11772219）的资助。本文第一作者：李吉康（天津大学），本文通讯作者：陈旭、刘争（天津大学）。

本期小编 李吉康（整理）

吴林森（校对）

  郭子键  （审核）

董乃健（发布）