本文是一篇土木工程论文，本文主要研究基于频率变化预测含分层碳纤维增强复合材料CFRP层合板的疲劳寿命。文中结合了试验、仿真、算法等多种手段研究了含分层复合材料板中的分层损伤、固有频率、疲劳寿命三者之间的关系，考察了分层参数对CFRP层合板的固有频率和疲劳寿命的影响，得到了含分层CFRP层合板中的固有频率和疲劳寿命之间的关联性，然后基于频率预测了含分层CFRP层合板的疲劳寿命。
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）是由纤维和基体材料组合而成的高性能复合材料。它具有高比强度、高比模量、耐腐蚀以及可设计性强等优点，被广泛应用于航空航天、土木建筑、汽车制造等领域[1-3]，图1-1为复合材料在各领域的应用案例。
复合材料层合结构在使用前后往往因一些不可避免的因素造成内部不可见损伤，其中最常见的为分层损伤[4]。而造成分层损伤的因素有很多，如生产过程中失误，搬运过程，以及维修过程中工具掉落，又或是冰雹降落极端天气等，这些不可控因素都让复合材料在服役过程中可能产生不确定的损伤，从而使复合材料结构受到的疲劳荷载更加复杂，影响材料的使用寿命，甚至造成灾难性后果[5]。此外，在工程应用中，复合材料受到的荷载情况十分复杂，其中循环荷载导致的疲劳问题比较复杂[6, 7]。随着复合材料承受疲劳荷载的时间的增加，构件在薄弱处慢慢出现损伤并不断扩展，且构件的承载力和刚度也出现降低，最终引发结构的整体失效。因此，对含分层复合材料层合板的疲劳性能进行研究，具有十分重要的工程和实际意义。目前通过无损方法对含分层复合材料疲劳寿命定量预测的研究较少，因此，运用有限元模拟技术研究含有初始分层复合材料的疲劳特性，同时采用先进无损检测手段定量评估在疲劳条件下，复合材料的分层情况和疲劳寿命，这对于该领域具有重要意义及应用前景。
1.2 含初始分层复合材料层合结构疲劳行为及寿命预测研究现状
大量研究表明，复合材料因各层纤维铺设角度的不同，会使层间的刚度产生差异而发生较高层间应力，而较弱的树脂基体是层间应力的主要传递介质，因而，复合材料层合结构内部容易产生不可见分层损伤，这很可能降低材料的强度、承载力、疲劳寿命等[8]。因此，对含有初始分层损伤的复合材料进行疲劳性能研究早已受到学者关注。近年来，不少学者对含分层损伤复合材料层合板的疲劳行为和疲劳寿命预测进行了研究，有学者[9]同时对含分层复合材料进行拉-拉疲劳试验和压-压疲劳试验发现，初始损伤对压-压疲劳影响更显著，因此本文主要对含分层复合材料压-压疲劳相关研究进行总结。
国内外学者通过试验研究发现：初始分层极大影响了复合材料的强度和疲劳寿命，目前学者已对初始分层参数如分层大小、分层界面等对复合材料疲劳性能影响进行探究，如：
P. N. B. REIS等[9]研究人工分层对复合材料层合板强度和疲劳寿命的影响，结果表明：有分层复合材料层合板比无分层复合材料极限抗拉强度降低了约16%，压-压疲劳中，分层对疲劳强度的影响显著，含有分层的试样的疲劳寿命明显降低。
陈群志[10]等采用预制分层复合材料板探究在疲劳荷载下，分层尺寸及位置对材料疲劳行为的影响。实验表明：复合材料层压板的疲劳寿随预制分层尺寸增大而下降越明显。此外，预制分层的位置也影响了复合材料疲劳寿命，当初始分层越接近层合板的中间界面，疲劳寿命下降程度越大。
矫桂琼[11]等对含有初始分层的复合材料试件开展了不同应力水平下压-压疲劳实验，结果表明：在低应力水平下，预制分层对试件压-压疲劳寿命的影响较小。
第二章 含分层CFRP层合板模态-疲劳试验
2.2试验试件的制作与检测
目前虽然已有学者对含分层复合材料疲劳寿命进行研究，但仍未见到将模态测试手段运用到含分层复合材料的疲劳寿命的研究中。因此本文将模态测试手段应用于含分层复合材料压缩疲劳寿命中，用以探究复合材料内的分层对频率及疲劳寿命影响，以及分层损伤固有频率及压-压疲劳寿命三者之间的关联。
根据国标GB-T 35465.4[56]设计了适用于压-压疲劳试验的含分层CFRP层合板，并委托哈长伟碳纤维制作公司进行试件的加工与制作。其中CFRP试件为12层，材料采用T300/WP-R2300，其铺层方式为[45/-45/0/-45/45/90]s，单层厚度约为0.194mm。试件中的分层为预制穿透分层(由于本文CFRP层合板试件内制备的分层宽度与试件宽度相同，因此称为穿透分层或者贯穿性分层)，分层区域采用在材料制备过程中预埋特氟龙薄膜的方法。试件按照初始分层大小的不同分为Ⅰ型 、Ⅱ型，Ⅲ型，Ⅳ型，其中Ⅰ型试件不含损伤（分层尺寸为0mm），Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型含贯穿性分层损伤如图2-（1分层尺寸分别为10mm、20mm和30mm）分层均位于6层7层之间。试件公称尺寸长130mm,宽20mm，厚度为2.328mm，试件详情参数见表2-1。
2.3模态-疲劳测试
模态测试是研究结构动力特性常用的一种方法，即可以测得结构在激励状态下的各个模态参数，包括阻尼比、振型以及固有频率等，又能用于结构的无损检测。为研究含分层复合材料试件固有频率与其分层损伤及疲劳寿命相联系，本文试验总思路为：对含不同大小分层的复合材料试件进行模态测试，得到其固有频率数据，再对试件进行静态压缩试验得到压缩强度，之后确定压-压疲劳应力水平后进行压-压相应的疲劳试验。由此可得到Ⅰ到Ⅳ型试件的固有频率及其疲劳寿命，为后续将固有频率用于含分层复合材料分层损伤及疲劳寿命预测做基础。
2.3.1模态测试
为得到含分层CFRP层合板的固有频率，本文在室温下对试件进行了模态试验。采用激光扫描测振仪PSV-500对含分层复合材料层合板进行模态试验。如图2-4所示PSV-500激光扫描测振仪内置240倍高清彩色摄影机、信号处理前端、工控机、信号发生器、数字解码器等。测量基本原理是：光学头向试件发射激光，并收集反射回来的激光。当试件产生振动，这两束激光就会相互干涉，产生一个多普勒频移信号，其大小与振动速度成正比。接着内置的解码器会对信号进行运算处理，从而得到试件振动的实时速度信号。
在正式进行模态试验前，需确定合理的边界条件，梁智洪[62]过对疲劳过程中复合材料试件进行自由边界条件、悬臂条件或两端固定条件下的频率收集发现：无论是自由边界条件、悬臂条件或两端固定的边界条件，复合材料结构的频率随其内部损伤的增大，频率都有不断下降的趋势。本文在进行模态测试时，也进行了悬臂条件和两端固定边界条件的测试发现：经过两端固定边界条件下测得频率较悬臂边界条件下普遍增大，但仍保持随复合材料内部分层损伤增大其频率不断下降规律，此外，由于两端固定边界条件下仅能测得试件前四阶频率，为得到试件更高阶频率，本文最终统一采用一边固定的边界条件且采用无接触式的音箱进行激励使试件产生振动，进而得到试件固有频率前五阶固有频率。
第三章 含分层复合材料层合板模态-疲劳有限元研究 ....................... 25
3.1 引言 ......................... 25
3.2 复合材料层合板仿真疲劳寿命预测方法 .................... 25
第四章 逆向学习算法建立及验证 ...................... 46
4.1 引言 ........................... 46
4.2 有代理模型的遗传算法SAGA ..................... 46
第五章 结论与展望 ............................ 59
5.1 本文结论 ...................................... 59
5.2 对未来工作展望 ..................................... 60
第四章 逆向学习算法建立及验证
4.1引言
上文已验证了纤维增强复合材料在疲劳过程中，疲劳荷载会引发材料刚度和频率的下降并引发各种损伤，以上章节已验证频率和分层损伤之间紧密相连，因此可通过模态检测手段得到频率变化，进而对材料进行损伤识别。另外，以上章节通过试验及仿真得到结果表明，随复合材料内穿透分层大小变化，其疲劳寿命以及频率之间存在函数关系，且通过疲劳仿真模型可较为准确计算出含穿透分层复合材料的寿命。由此本章发展了两种预测方法：（1）方法一，先采用逆向算法识别出CFRP层合板的分层损伤参数，然后借助于有限元分析方法，建立含相应分层的CFRP层合板仿真模型并进行疲劳失效分析得到CFRP板的疲劳寿命；（2）方法二，通过有限元模型（包括模态分析和疲劳分析模型）生成不同分层损伤参数下CFRP层合板的“分层参数-频率变化值-疲劳寿命”的样本数据，然后将频率变化值作为输入，疲劳寿命值作为输出训练算法，之后通过输入目标频率变化值来预测相应的CFRP层合板的疲劳寿命。
智能算法作为一门数学、生物等多相互交叉融合的学科，其以启发式的求最优解的方式找出样本数据中的规律。通过智能算法对数据进行分析处理，进而对结构的损伤情况及安全性进行评估，这对工程具有重大意义。目前常用于损伤识别的主要有遗传算法（GA，Genetic Algorithm）和人工神经网络（ANN，Artificial Neural Network）等，接下来本章将采用这两种算法进行复合材料分层预测以及疲劳寿命的预测。
第五章 结论与展望
5.1本文结论
本文主要研究基于频率变化预测含分层碳纤维增强复合材料CFRP层合板的疲劳寿命。文中结合了试验、仿真、算法等多种手段研究了含分层复合材料板中的分层损伤、固有频率、疲劳寿命三者之间的关系，考察了分层参数对CFRP层合板的固有频率和疲劳寿
