《Engineering Fracture Mechanics》：Fatigue crack growth characteristics of single-sided surface cracks in GLARE: Effects of loading condition and laminate configuration
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GLARE层压材料单侧表面裂纹的疲劳裂纹扩展特性及分层机制研究，采用数字图像相关技术实时监测裂纹演化与层间应变场，系统揭示了初始裂纹深度、结构配置和载荷条件对裂纹扩展行为的影响规律，发现单侧表面裂纹与穿透裂纹的疲劳增长动力学存在本质差异。
马永坤|赵远|魏星宇|李梦佳|杨鹏飞|张继鹏|张家珍
浙江师范大学工程学院，金华321004，中国
摘要
由于其优异的机械性能，GLARE材料在工程领域得到了广泛的应用和研究关注。然而，在使用过程中，由于尖锐物体造成的划痕，表面和单面表面裂纹常常会形成，这对结构完整性构成了显著威胁。本文采用数字图像相关技术对疲劳载荷下裂纹长度演变和层压板应变场进行了原位监测和量化分析。系统研究评估了初始裂纹深度对单面表面裂纹扩展的影响、结构配置和载荷条件对疲劳扩展及相关分层现象的影响，以及单面表面裂纹与贯穿裂纹扩展之间的差异。研究结果揭示了四个关键发现：初始裂纹深度决定了单面表面裂纹的起始，但不影响其后续扩展动力学；它们的疲劳扩展速率趋势与贯穿裂纹有根本不同；单面表面裂纹的扩展速率对应力比变化的敏感性较低；增加层压板数量对单面表面裂纹的疲劳抗性提升作用不明显。本研究阐明了GLARE材料中单面表面裂纹的独特疲劳扩展机制，填补了这一领域的知识空白。这些发现为建立准确的GLARE部件结构完整性预测模型提供了基础数据和机理依据，支持其可靠的工程应用。
引言
GLARE（GLAss增强铝层压板）由多层铝和玻璃纤维聚合物层组成，结合了传统纤维增强复合材料和金属的优点。铝合金可以保护内部纤维层免受环境侵蚀，而玻璃纤维的桥接效应赋予了GLARE优异的疲劳抗裂性能。这些特性使得GLARE层压板在疲劳抗裂性、抗冲击性和比强度方面优于整体铝合金[1]、[2]、[3]、[4]。因此，这些层压板在航空航天工业中得到了广泛应用，例如空客A340-500/600的机翼前缘、A380-800的机身蒙皮和水平/垂直安定面前缘，以及波音777的货舱地板和发动机整流罩都大量使用了GLARE[5]。此外，GLARE的应用领域正在迅速扩展，尤其是在汽车制造和土木工程建筑等行业。这种增长得益于GLARE优异的机械性能，使其在需要承受循环载荷和恶劣环境条件的轻量化结构部件中变得越来越有价值[6]。随着应用的日益广泛，深入研究层压板的疲劳和损伤特性变得尤为重要。
过去几十年里，许多研究人员由于GLARE相较于整体铝合金的优异性能对其进行了大量研究。例如，郭和吴实验研究了带有贯穿裂纹（TC）的GLARE的应力分布，并提出了一个用于预测恒幅载荷下纤维增强金属层压板裂纹扩展的现象学模型[7]、[8]。Alderliesten等人对GLARE中的贯穿裂纹进行了广泛实验研究，并对其疲劳裂纹扩展特性和分层扩展特性进行了实验和理论分析，提出了GLARE疲劳裂纹扩展和分层扩展的分析与预测模型[9]、[10]、[11]。其他学者也对GLARE的疲劳裂纹扩展特性进行了深入研究，例如温度[12]、变幅载荷[13]等的影响。赵等人研究了在2a/W>0.8条件下GLARE中贯穿裂纹的疲劳裂纹扩展特性[14]、[15]，提出了应力强度因子的有限宽度修正因子和分层扩展的等效柔顺性模型。Khan等人更详细地研究了变幅载荷下GLARE贯穿裂纹的分层扩展速率和分层形状[16]、[17]。Vivek等人将等效应力定义为层内最大应力和应力比的幂函数，通过引入这一概念，将局部循环应力比纳入应力分布模型，以统计预测疲劳裂纹的起始[18]。
在实际工程应用中，GLARE的表面容易受到尖锐物体和其他划痕的损伤，这些损伤可能发展成单面表面裂纹（SSC）。与贯穿裂纹类似，单面表面裂纹的损伤对飞机机身蒙皮的损伤容忍度设计有显著影响[19]。Gonesh等人也对单面表面裂纹进行了实验研究，他们的研究表明，由于带有单面表面裂纹的层压板会发生额外的弯曲，因此产生的应力取决于裂纹长度和层压板厚度。该分析有意忽略了较厚层压板中小裂纹的影响[20]、[21]。赵等人使用碳纤维增强聚合物进行了三点弯曲实验，模拟了实际应用中可能遇到的轻微表面划痕，并评估了这些划痕对碳纤维增强聚合物机械性能的影响，比较了有缺陷和无缺陷的样品[22]。同样，王等人研究了碳纤维复合材料中表面划痕的损伤容忍度，他们的方法包括预先制造深度为0.2毫米和0.4毫米的单面表面裂纹以引入可控的划痕损伤[23]。
目前，大多数研究集中在带有贯穿裂纹的GLARE层压板的疲劳裂纹扩展和分层上，而对单面表面裂纹的疲劳扩展行为的研究相对较少。在特定的板宽限制下，单面表面裂纹的单向起始和扩展会导致与贯穿裂纹截然不同的疲劳扩展行为。鉴于其裂纹扩展机制的复杂性，深入研究其扩展机制和分层模式至关重要。本研究致力于研究标准GLARE 2A层压板制成的单面表面裂纹试样的疲劳性能，通过疲劳测试分析了GLARE单面表面裂纹的疲劳扩展和分层机制，并通过对比实验揭示了单面表面裂纹与贯穿裂纹在疲劳裂纹扩展特性上的差异。
材料与试样
本研究中使用的GLARE材料由2024-T3铝合金制成，厚度为0.3毫米，以及S6玻璃纤维增强环氧复合材料（GFRP），固化厚度为0.125毫米，其基本性能见表1。在铺层之前，铝合金经过磷酸阳极氧化表面处理，以提高铝和GFRP之间的粘结质量。然后使用热压法在0.65MPa的压力下对堆叠的GLARE进行固化
初始裂纹深度对单面表面裂纹疲劳特性的影响
为了探讨裂纹深度对GLARE中单面表面裂纹疲劳扩展行为的影响，在相同载荷条件（σmax = 200 MPa，R = 0.5）下，对初始裂纹深度分别为0.28±0.02毫米和0.10±0.02毫米的GLARE2A-2/1–0.3层压板进行了实验。图6(a)的结果表明，浅裂纹（0.1毫米）的扩展延迟，直到700万次疲劳循环后才开始扩展，而深裂纹（0.28毫米）则较早开始扩展。然而，图6(b)显示...
结论
本文研究了GLARE层压板中单面表面裂纹的疲劳扩展特性，并将其与贯穿裂纹的疲劳扩展行为进行了比较。考虑了影响疲劳扩展行为的各种因素，包括裂纹类型、层压板配置、施加的最大应力、应力比和裂纹深度。主要结论如下：
(1) 初始裂纹深度仅影响裂纹扩展的起始，而不影响...
作者贡献声明
马永坤：撰写——初稿，研究，概念构思。赵远：方法论，研究。魏星宇：验证。李梦佳：数据整理。杨鹏飞：数据整理。张继鹏：撰写——审阅与编辑。张家珍：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（LQ22A020005）和国家自然科学基金青年科学基金（编号12302170）的支持。
