纤维金属层板的疲劳裂纹扩展行为及预测方法研究进展

纤维金属层板(Fiber Metal Laminates，简称FMLs)是一种由金属薄板和纤维增强复合材料组成的层间混杂复合材料，具有优良的疲劳和损伤容限性能，是飞机结构的理想材料。纤维金属层板的疲劳损伤模式较为复杂，既有金属层内的裂纹扩展，又有金属/纤维层间的分层扩展，两者相互作用，增加了层板裂纹扩展速率与寿命预测的难度。国内外学者对纤维金属层板的疲劳裂纹扩展行为开展了大量的研究并取得了一定的成果。本文介绍了纤维金属层板的疲劳损伤机制，总结了恒幅载荷下纤维金属层板的疲劳裂纹扩展行为预测模型，并对变幅载荷下纤维金属层板的疲劳裂纹扩展及分层行为研究进行了概述。

纤维金属层板(Fiber Metal Laminates， 简称FMLs)是一种由金属薄板和纤维增强复合材料交替铺设后， 在一定温度和压力下固化而成的一种层间混杂复合材料[1]-[6]，其典型结构如图1 所示[7]。纤维金属层板综合了传统纤维复合材料和金属材料的优点，克服了单一复合材料和金属材料的不足，不但具有高比刚度和比强度， 还具有优良的疲劳和损伤容限性能[8] [9]， 其最突出的特点是在恒幅载荷下能够保持相对恒定的裂纹扩展速率[10]-[13]。

芳纶铝合金层板(ARALL)和玻璃纤维铝合金层板(GLARE)是目前国际上比较成熟的两类纤维金属层板产品[14] [15]，主要用于飞机机身结构[16] [17]。作为大型飞机主承力结构备用新型材料，纤维金属层板具有良好的发展前景。

由于纤维金属层板在疲劳过程中的损伤行为较为复杂，既有金属层内的裂纹扩展，又有层间的分层扩展，两者相互耦合，相互影响，使得层板的裂纹扩展与寿命预测变得十分复杂。本文综述了纤维金属层板疲劳裂纹扩展行为的相关研究及预测方法。在本文的第二部分，介绍了纤维金属层板的疲劳损伤机制，第三部分则介绍了恒幅载荷下纤维金属层板的疲劳裂纹扩展速率预测方法，第四部分将介绍变幅载荷下纤维金属层板的疲劳裂纹扩展及分层行为研究。

2. 纤维金属层板的疲劳损伤机制 纤维金属层板在疲劳过程中伴随两种损伤模式：金属层的疲劳裂纹扩展和金属/纤维界面的分层扩展[18]。典型纤维金属层板的疲劳裂纹扩展和分层机制如图2 所示[19]。

疲劳裂纹在纤维金属层板的金属层中扩展时预浸料层中的纤维不产生断裂，此时纤维会通过胶接作用阻碍裂纹尖端张开，裂纹区域金属层本应承载的部分载荷转移到预浸料层中，这部分转移的载荷称为桥接应力[20] [21]。桥接应力降低了裂纹尖端的有效应力强度因子幅(ΔKeff)，从而减缓裂纹扩展速率。与此同时，桥接应力也会使金属层与预浸料层间产生剪切变形，从而导致分层，分层将降低桥接应力效力[22]-[25]。

当纤维金属层板经过一定的疲劳循环次数后， 裂纹扩展和分层扩展进入平衡稳定状态，此时疲劳裂纹将以近似恒定的速率扩展[26]-[28]。