復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試方法
【專利摘要】一種復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試方法，步驟為：首先，制作不少于5個的復合材料層板的標準試件；然后，將復合材料層板標準件依次放置到壓縮試驗夾具上進行壓縮試驗，得到復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線；最后，基于聚合物粘彈性理論中的四單元模型結合測得的復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線確定其厚度方向的非線性本構關系并計算復合材料層板厚度方向的彈性、粘彈性和塑性。本發(fā)明解決了復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試的問題，通過合理設計復合材料層板力學壓縮試驗的夾具和加載方式，測試復合材料層板的壓縮力與形變曲線，并根據(jù)該曲線計算出復合材料層板厚度方向彈性、粘彈性和塑性等力學性能。
【專利說明】 復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復合材料層板厚度方向非線性本構關系的測試方法，尤其涉及一種適用于纖維增強復合材料層板厚度方向的非線性本構關系的測試方法。
【背景技術】
[0002]復合材料具有質(zhì)量輕、剛度強度大和耐腐蝕性能好等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天和建筑領域。但是復合材料力學性能具有一定的方向性，非承力方向的力學性能一般較差。雖然非承力方向的力學性能能夠滿足復合材料長期服役的使用要求，但是長期環(huán)境作用下，其力學性能將會發(fā)生改變，影響復合材料的正常服役。
[0003]例如工程應用中經(jīng)常采用的搭接式復合材料連接結構，復合材料搭接板厚度方向的力學性能較差，但卻承受螺栓預緊力的作用。因為螺栓數(shù)量有限且復合材料搭接板承受預緊力的面積較小，預緊力對整個復合材料連接結構的影響可以忽略，不影響其正常服役。但是與金屬連接結構不同，復合材料搭接板的粘彈性遠遠大于金屬螺栓的粘彈性，長期預緊力作用下會發(fā)生應力松弛，導致復合材料搭接板的剛度強度降低，這時復合材料連接結構的正常工作狀態(tài)不可避免的將受到影響。
[0004]目前與復合材料相關的研究主要集中于其承力方向的力學性能研究，研究厚度方向粘彈性的方法有限。本發(fā)明旨在提供一種測試復合材料層板厚度方向非線性本構關系的方法，確定復合材料層板厚度方向的彈性、粘彈性和塑性，為相關的科研工作提供測量依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種復合材料厚度方向非線性本構關系的測試方法，通過合理設計復合材料層板力學壓縮試驗的夾具(圖4)和加載方式(圖5)，測試復合材料層板的壓縮力與形變曲線(圖2)，并根據(jù)該曲線計算出復合材料層板厚度方向彈性、粘彈性和塑性等力學性能。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
一種復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試方法，包括如下步驟:
首先，制作不少于5個的復合材料層板的標準試件，標準試件可以采用圓形或者正方形。標準試件厚度H應根據(jù)實際情況確定，并建議不小于3mm。若采用圓形試件，試件直徑尺寸采用5-10mm ;若采用正方形試件，試件邊長采用5_10mm。標準試件的鋪層建議根據(jù)實際情況確定，當無法根據(jù)實際情況確定鋪層時，建議采用0° /90°的正交對稱鋪層。
[0007]然后，將復合材料層板標準件依次放置到壓縮試驗夾具上進行壓縮試驗，具體加載方式如圖5所示，分為四個階段:第一階段OA段為均勻加載階段，第二階段AB段為保持荷載穩(wěn)定階段，第三階段BC段為均勻卸載階段，第四階段CD段為保持零荷載階段。通過試驗測得得到復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線(圖2)。所述壓縮試驗采用荷載控制的加載方式:第一階段在Tl時間內(nèi)均勻加載到荷載P，并記錄此時復合材料層板的壓縮形變D1，建議Tl=Imin,荷載P以及每秒加載的荷載值應根據(jù)實際情況確定；第二階段在T2時間≥ 20 ;第三階段在T3時間內(nèi)均勻卸載到荷載為0，記錄此時的復合材料層板形變D3，建議T3=lmin，并保證T2/ T3 ≥ 20 ;第四階段觀測復合材料層板的形變在Imin內(nèi)不發(fā)生較大變化時，即可認為彈塑性形變已經(jīng)恢復可以停止測量，記錄經(jīng)歷的時間T4和此時的形變D4。
[0008]最后，基于聚合物粘彈性理論中的四單元模型結合測得的復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線(圖2)確定其厚度方向的非線性本構關系并計算復合材料層板厚度方向的彈性、粘彈性和塑性。
[0009]本發(fā)明的工作原理:
復合材料包括基體材料和纖維材料，在承力方向上纖維材料是復合材料的承力材料，起主導作用。但是在厚度方向上，復合材料力學性能主要表現(xiàn)為基體材料的力學性能。復合材料的基體材料一般屬于聚合物，其力學性能主要包括彈性、粘彈性和塑性。聚合物粘彈性理論中的四單元模型能很好的模擬聚合物的力學性能，因此可以基于聚合物的粘彈性理論中的四單元模型設計試驗用的夾具和加載方式測試復合材料層板厚度方向的力學性能。
[0010]本發(fā)明解決了復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試的問題，通過合理設計復合材料層板力學壓縮試驗的夾具(圖4)和加載方式(圖5)，測試復合材料層板的壓縮力與形變曲線(圖2)，并根據(jù)該曲線計算出復合材料層板厚度方向彈性、粘彈性和塑性等力學性能。本發(fā)明尤其適用于纖維增強復合材料層板厚度方向的非線性本構關系的測試。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為復合材料層板厚度方向力學性能測試示意圖；
圖2為復合材料層板壓縮荷載下的變形與時間關系曲線圖；
圖3為描述聚合物粘彈性的四單元模型；
圖4為壓縮試驗用的夾具；
圖5為復合材料層板壓縮試驗的加載方式示意圖；
圖中，1-壓縮試驗夾具，2-復合材料層板標準試件，3-夾具工作面，4-夾具傳力桿，5-夾具插稍孔，6-夾具安裝頭，7-夾具工作頭。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:本實施方式提供了一種復合材料層板厚度方向力學性能測試方法，需要的工具、試件和儀器包括力學壓縮試驗機、壓縮試驗夾具和不少于5個的復合材料層板標準試件。該方法能測試復合材料層板厚度方向彈性、粘彈性和塑性等力學性能，其具體步驟如下:
首先，制作5個復合材料層板標準試件，合理的設計壓縮試驗用的夾具和加載方式。
[0013]然后，壓縮試驗機換裝壓縮試驗夾具，將復合材料層板標準件依次放置到夾具上進行壓縮試驗(圖1)。壓縮試驗采用荷載控制的加載方式，加載方式由均勻加載、保持荷載穩(wěn)定、均勻卸載和保持零荷載(圖5)四個階段組成，即:第一階段在Tl時間內(nèi)均勻加載到荷載P，并記錄此時復合材料層板的壓縮形變Dl ;建議Tl=Imin,荷載P以及每秒加載的荷載值應根據(jù)實際情況確定。第二階段T2時間內(nèi)保持荷載P不變，并記錄此時復合材料層板壓縮形變D2 ;建議T2=30min，并保證T2/ Tl≥20。第三階段在T3時間內(nèi)均勻卸載到荷載為0，記錄此時的復合材料層板形變D3，建議T3=lmin，并保證T2/ T3 > 20。第四階段觀測復合材料層板的形變在Imin內(nèi)不發(fā)生較大變化時，記錄經(jīng)歷的T4和此時的形變D4。最后的測得的復合材料層板壓縮狀態(tài)下的變形與時間關系曲線輪廓如圖2所示。
[0014]最后，基于聚合物粘彈性理論中的四單元模型(圖3)結合試驗測得的復合材料層板在壓縮荷載作用下厚度方向的形變與時間關系曲線(圖2)確定其厚度方向的非線性本構關系并計算復合材料厚度方向彈性、粘彈性和塑性的力學性能。假定標準試件的面積為S，則:
復合材料層板厚度方向的彈性:E=P*H/(S*D1)；
復合材料層板厚度方向的塑性:n=P*T2*H/(S*D4)；
復合材料層板厚度方向的粘彈性可以用E2、η 2表征，在測得復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線的條件下，取Τ2/2時間內(nèi)的復合材料層板形變D5，此時塑性引起的形變?yōu)镈4/2。則有:
(D2-D1- D4) /H=P*S* {1-exp (_Τ2*Ε2/ η 2)} /E2 ；
(D5-D1-D4/2) /H=P*S*{l-exp(-T2*E2/2/ η2)}/Ε2 ；
兩式聯(lián)立即可解出Ε2、Π2，得到復合材料層板厚度方向的粘彈性。
[0015]本實施方式中，被測量的復合材料層板應為纖維增強復合材料，其力學性能具有一定的方向性，且厚度方向力學性能較差。
[0016]本實施方式中，力學壓縮試驗機應能夠控制加載方式,保證施加荷載的方式符合復合材料層板厚度方向力學性能測試方法的要求。
[0017]本實施方式中，使用的壓縮試驗夾具應選擇足夠的剛度強度的材料制作并保證夾具工作面的光滑平整。
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是，所述的被測量的復合材料層板標注試件不少于5個，其厚度應根據(jù)實際情況確定，并建議不小于3mm。建議采用正方形或者圓形試件，邊長或者直徑建議為5-10mm。
[0019]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一、二不同的是，如圖4所示，使用的壓縮試驗夾具從上至下主要由夾具安裝頭6、夾具傳力桿4和夾具工作頭7三部分組成。夾具安裝頭6上有兩個夾具插稍孔5，夾具插稍孔5正交布置一邊調(diào)整擠壓頭的安裝方向，力學壓縮試驗機上的插稍可以通過貫通夾具插稍孔5將該壓縮夾具固定在試驗機上，夾具工作頭7的擠壓復合材料層板標準試件的夾具工作面3應保證光滑平整。壓縮夾具的尺寸設計應根據(jù)實際情況確定。
[0020]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一、二、三不同的是，第一階段在Tl時間內(nèi)均勻加載到荷載P，并記錄此時復合材料層板的壓縮形變Dl ;Tl=2min，荷載P以及每秒加載的荷載值應根據(jù)實際情況確定。第二階段T2時間內(nèi)保持荷載P不變，并記錄此時復合材料層板壓縮形變D2 ;T2=40min，并保證T2/ Tl > 20。第三階段在T3時間內(nèi)均勻卸載到荷載為0，記錄此時的復合材料層板形變D3，建議T3=2min，并保證T2/ T3 > 20。第四階段觀測復合材料層板的形變在Imin內(nèi)不發(fā)生較大變化時，記錄經(jīng)歷的T4和此時的形變D4。
[0021]以上僅是本發(fā)明的具體應用范例，對本發(fā)明的保護范圍不構成任何限制，凡采用等同變換或者是等效替換而形成的技術方案，均落在本發(fā)明權利保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種復合材料層板厚度方向非線性本構關系測試方法，其特征在于所述方法步驟如下: 首先，制作復合材料層板的標準試件； 然后，將復合材料層板標準件依次放置到壓縮試驗夾具上進行壓縮試驗，所述壓縮試驗采用荷載控制的加載方式，加載方式分為四個階段:第一階段在Tl時間內(nèi)均勻加載到荷載P，并記錄此時復合材料層板的壓縮形變Dl ;第二階段在T2時間內(nèi)保持荷載P不變，并記錄此時復合材料層板壓縮形變D2 ;第三階段在T3時間內(nèi)均勻卸載到荷載為O，記錄此時的復合材料層板形變D3 ;第四階段觀測復合材料層板的形變在Imin內(nèi)不發(fā)生較大變化時，記錄經(jīng)歷的時間T4和此時的形變D4，通過測試得到復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線； 最后，基于聚合物粘彈性理論中的四單元模型結合測得的復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線確 定其厚度方向的非線性本構關系并計算復合材料層板厚度方向的彈性、粘彈性和塑性。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述標準試件的個數(shù)不少于5個。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的復合材料層板厚度方向力學性能測試方法，其特征在于所述標準試件采用圓形或者正方形，試件的直徑或邊長為5-10mm。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述標準試件的厚度不小于3mm。
5.根據(jù)權利要求1所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述Tl=Imin或2min。
6.根據(jù)權利要求1所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述T2=30min或40min。
7.根據(jù)權利要求1所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述T3=lmin或2min。
8.根據(jù)權利要求1、5或6所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述T2/ Tl ^ 20。
9.根據(jù)權利要求1、6或7所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述T2/ T3 ^ 20。
10.根據(jù)權利要求1所述的復合材料層板厚度方向非線性本構關系力學性能測試方法，其特征在于所述復合材料層板厚度方向的彈性、粘彈性和塑性的計算方法為: 假定標準試件的面積為S，標準試件的厚度為H，則: 復合材料層板厚度方向的彈性:E=P*H/(S*D1)； 復合材料層板厚度方向的塑性:n=P*T2*H/(S*D4)； 復合材料層板厚度方向的粘彈性用E2、η 2表征，在測得復合材料層板在壓縮荷載作用下形變與時間曲線的條件下，取Τ2/2時間內(nèi)的復合材料層板形變D5，此時塑性引起的形變?yōu)镈4/2，則有:
(D2-D1-D4) /H=P*S* {Ι-exp (_Τ2*Ε2/ η 2)} /Ε2 ；
(D5-D1-D4/2) /H=P*S* {1-exp (_T2*E2/2/ n 2)} /E2 ；兩式聯(lián)立即可解出E2、η2，得到復合材料層板厚度方向的粘彈性。
【文檔編號】G01N3/08GK103954505SQ201410210932
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權日:2014年5月19日
【發(fā)明者】戴福洪, 王景澤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學