一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展s-n曲線的復(fù)合材料ii型裂紋擴(kuò)展速率測定方法
【專利摘要】一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，它有五大步驟：一、選用單端缺口彎曲ENF復(fù)合材料試樣，由纖維布和樹脂通過模塑工藝成型；二、選用三點彎曲方式對試樣進(jìn)行測試；三、采用三軸向可移動高倍數(shù)碼測量系統(tǒng)對裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行觀測和測量，記錄試驗載荷、循環(huán)次數(shù)及其對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長度；四、根據(jù)工程梁理論計算復(fù)合材料中性面的恒定層間剪應(yīng)力，并采用三參數(shù)冪函數(shù)法擬合裂紋擴(kuò)展層間剪應(yīng)力及其對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，得到裂紋擴(kuò)展S-N曲線；五、利用雙增長指數(shù)函數(shù)擬合試驗載荷循環(huán)次數(shù)及其對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長度的a-N曲線，求導(dǎo)后獲得裂紋擴(kuò)展速率；采用Paris模型和能量釋放率公式，通過最小二乘擬合得到裂紋擴(kuò)展速率曲線。
【專利說明】一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料I I型裂紋擴(kuò)展速率測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，屬于復(fù)合材料試驗方法領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有更高的比強(qiáng)度、比剛度，因而被越來越廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中，然而，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)存在的突出問題是在II型(面內(nèi)剪切)疲勞載荷作用下(尤其是在II型面內(nèi)剪切載荷下)易發(fā)生層間開裂。為保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全性，需要依據(jù)損傷容限設(shè)計原理，測定材料的裂紋擴(kuò)展速率以及裂紋擴(kuò)展S-N曲線。前者反映了不同疲勞載荷能量下對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率，通過控制疲勞載荷能量，可以實現(xiàn)止裂設(shè)計；后者反映了不同疲勞應(yīng)力水平下裂紋的擴(kuò)展壽命，可用于制定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測與替換周期?？梢?，二者均是損傷容限設(shè)計的重要內(nèi)容。
[0003]現(xiàn)有的復(fù)合材料II型層間裂紋擴(kuò)展試驗普遍采用位移控制下的能量釋放率負(fù)梯度法。采用該方法測定開裂門檻值時，需要根據(jù)單根試樣裂紋擴(kuò)展量的增長而不斷減小疲勞位移幅值或者逐級降載，試驗操作程序復(fù)雜；此外，利用該方法得到的裂紋層間應(yīng)力隨裂紋的擴(kuò)展而變化，不能滿足S-N曲線測定中對疲勞應(yīng)力水平恒定的要求，這造成疲勞試驗信息的浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，其操作簡便，能夠充分利用裂紋擴(kuò)展壽命數(shù)據(jù)，克服以往復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展測定方法的不足。
[0005]本發(fā)明一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，其步驟如下:
[0006]步驟一、選用單端缺口彎曲(ENF)復(fù)合材料試樣(如圖1所示)，由纖維布和樹脂通過模塑工藝成型。試樣一端的中間面鋪入聚四氟乙烯塑料薄膜得到預(yù)制裂紋，薄膜的厚度不大于0.05臟，預(yù)制裂紋的長度為30-50臟。試驗前預(yù)先對初始裂紋進(jìn)行預(yù)裂。裂紋預(yù)裂時，將前緣為直線型的楔狀刀刃沿試件寬度方向插入到預(yù)制裂紋面內(nèi)，緩慢并水平地向前推進(jìn)刀刃，直至裂紋尖端擴(kuò)展2至5_。裂紋預(yù)裂過程中應(yīng)確保裂紋沿試樣兩個側(cè)面擴(kuò)展量大致相同。裂紋預(yù)制后將聚四氟乙烯薄膜抽出。
[0007]步驟二、選用三點彎曲方式對試樣進(jìn)行測試(如圖2所示)。試驗可在任意帶位移傳感器的疲勞試驗裝置上進(jìn)行，加載方式為恒幅載荷控制。加載頭I位于支座中間并與支座平行，試樣的長度方向與支座和加載頭垂直。采用載荷控制下的能量釋放率正梯度法對試樣進(jìn)行加載。疲勞載荷波形為正弦波，幅值恒定。載荷頻率f及疲勞應(yīng)力比R根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)確定。試驗在“若干”疲勞載荷水平下進(jìn)行，每組疲勞載荷水平下試樣為3至5件。其中，最大疲勞載荷水平為材料剪切強(qiáng)度的60%左右，此后每組疲勞載荷水平較前一級降低5% 至 10% ο
[0008]步驟三、采用三軸向可移動高倍數(shù)碼測量系統(tǒng)(如圖3所示)對裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行觀測和測量，記錄試驗載荷、循環(huán)次數(shù)及其對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長度。試驗過程中每隔“一定循環(huán)”暫停加載，記錄當(dāng)前載荷循環(huán)次數(shù)Ni下試樣的裂紋開裂長度％、試樣撓度值δ”如此反復(fù)，直至裂紋擴(kuò)展至三點彎曲夾具上夾頭處或載荷反饋波形失真為止。試樣撓度值由疲勞試驗機(jī)自帶的位移傳感器自動進(jìn)行記錄。
[0009]步驟四、根據(jù)工程梁理論計算復(fù)合材料中性面的恒定層間剪應(yīng)力，并采用三參數(shù)冪函數(shù)法擬合裂紋擴(kuò)展層間剪應(yīng)力及其對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，得到裂紋擴(kuò)展S-N曲線。
[0010]采用如下所示的三參數(shù)冪函數(shù)法對裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展S-N曲線進(jìn)行擬合:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，其特征在于:該方法具體步驟如下:步驟一、選用單端缺口彎曲ENF復(fù)合材料試樣，由纖維布和樹脂通過模塑工藝成型；試樣一端的中間面鋪入聚四氟乙烯塑料薄膜得到預(yù)制裂紋，薄膜的厚度不大于0.05毫米，預(yù)制裂紋的長度為30-50毫米；試驗前預(yù)先對初始裂紋進(jìn)行預(yù)裂；裂紋預(yù)裂時，將前緣為直線型的楔狀刀刃沿試件寬度方向插入到預(yù)制裂紋面內(nèi)，緩慢并水平地向前推進(jìn)刀刃，直至裂紋尖端擴(kuò)展2至5mm ;裂紋預(yù)裂過程中應(yīng)確保裂紋沿試樣兩個側(cè)面擴(kuò)展量大致相同，裂紋預(yù)制后將聚四氟乙烯薄膜抽出；步驟二、選用三點彎曲方式對試樣進(jìn)行測試，試驗在任意帶位移傳感器的疲勞試驗裝置上進(jìn)行，加載方式為恒幅載荷控制；加載頭位于支座中間并與支座平行，試樣的長度方向與支座和加載頭垂直，采用載荷控制下的能量釋放率正梯度法對試樣進(jìn)行加載；疲勞載荷波形為正弦波，幅值恒定，載荷頻率f及疲勞應(yīng)力比R根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)確定，試驗在“若干”疲勞載荷水平下進(jìn)行，每組疲勞載荷水平下試樣為3至5件；其中，最大疲勞載荷水平為材料剪切強(qiáng)度的60%，此后每組疲勞載荷水平較前一級降低5%至10% ；步驟三、采用三軸向可移動高倍數(shù)碼測量系統(tǒng)對裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行觀測和測量，記錄試驗載荷、循環(huán)次數(shù)及其對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長度；試驗過程中每隔“一定循環(huán)”暫停加載，記錄當(dāng)前載荷循環(huán)次數(shù)Ni下試樣的裂紋開裂長度％、試樣撓度值δ i ;如此反復(fù)，直至裂紋擴(kuò)展至三點彎曲夾具上夾頭處或載荷反饋波形失真為止；試樣撓度值由疲勞試驗機(jī)自帶的位移傳感器自動進(jìn)行記錄；步驟四、根據(jù)工程梁理論計算復(fù)合材料中性面的恒定層間剪應(yīng)力，并采用三參數(shù)冪函數(shù)法擬合裂紋擴(kuò)展層間剪應(yīng)力及其對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，得到裂紋擴(kuò)展S-N曲線；采用如下所示的三參數(shù)冪函數(shù)法對裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展S-N曲線進(jìn)行擬合:(Smax-S0)mN=CCl).其中m，S0, C為待定常數(shù)，由最小二乘法擬合得到；N，Smax分別為同一疲勞載荷水平下復(fù)合材料試樣的裂紋擴(kuò)展壽命及層間最大剪應(yīng)力的均值；其中Smax根據(jù)工程梁理論得到，其表達(dá)式為:其中，P_代表當(dāng)前疲勞載荷水平下載荷峰值；步驟五、利用雙增長指數(shù)函數(shù)擬合試驗載荷循環(huán)次數(shù)及其對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展長度的a-N曲線，求導(dǎo)后獲得裂紋擴(kuò)展速率；采用Paris模型和能量釋放率公式，通過最小二乘擬合得到裂紋擴(kuò)展速率曲線；擬合裂紋擴(kuò)展速率與能量釋放率之間的da/dN-AGn曲線，首先采用雙增長指數(shù)函數(shù)對單個試樣的所有試驗數(shù)據(jù)點(％，隊)進(jìn)行最小二乘曲線擬合，得到單件試樣a與N之間的函數(shù)關(guān)系式:a = C1Zvv+C3Zvv⑶其中，C1, C2, C3, C4為待定常數(shù)，由最小二乘曲線擬合得到；對公式(3)進(jìn)行一階求導(dǎo)，進(jìn)而得到裂紋擴(kuò)展速率da/dN與N之間的函數(shù)關(guān)系:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的1、一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，其特征在于:步驟二中所述的“若干”，要根據(jù)試驗中當(dāng)前疲勞載荷水平下試樣的疲勞壽命均值而定；如疲勞壽命均值達(dá)到規(guī)定值，則不再增加下一組疲勞載荷水平下的疲勞試驗；否則，將疲勞載荷水平較當(dāng)前疲勞載荷水平降低5%-10%，繼續(xù)下一組疲勞試驗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的1、一種能夠獲得裂紋擴(kuò)展S-N曲線的復(fù)合材料II型裂紋擴(kuò)展速率測定方法，其特征在于:步驟三中所述的“一定循環(huán)”，要根據(jù)裂紋擴(kuò)展量或試樣撓度變化量而定；根據(jù)GB/T6398-2000，應(yīng)保證每次測量時裂紋擴(kuò)展量AaS0.25mm，撓度變化量在國標(biāo)中無要求，這里定為Δ δ≥0.1mm。
【文檔編號】G01N3/20GK103439194SQ201310360371
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】熊峻江, 云新堯, 李世秋 申請人:北京航空航天大學(xué)