一种复合材料层合板双轴向拉伸性能的测试方法与流程

本发明提供一种复合材料层合板双轴向拉伸性能的测试方法，属于复合材料试验方法领域。

背景技术：

复合材料与传统金属材料相比，具有更高的比强度、比刚度，已经广泛的应用于航空器和航天器的各种结构。通过试验和理论方法评定复合材料层合板的力学是结构设计中非常关键的一步，因此，国内外针对一些基本力学性能制定了国标、ASTM标准、航标或企标等，但主要针对单轴向受载情况。目前对复合材料的双轴向受力状态的研究大多是理论方面，很少涉及双轴向受力状态的试验，其原因为是双向试验没有现成的试验平台，实施起来非常困难，因此，也没有试验标准可供参考。复合材料结构在服役过程中，经常会承受复杂受力工况，而现有的设计分析方法是基于单轴向力学性能进行力学建模和失效预测，仅依靠单轴向的力学性能进行设计和评定，很难做到足够安全和可靠，进而影响复合材料的利用效率和潜力，亟需可靠的双轴向试验数据进行验证或修正。本发明提供一种复合材料层合板双轴向拉伸性能的测试方法，设计一种优化的双轴向拉伸试验件方案及其双轴向拉伸性能测试方法，简单且便于实施，可测定复合材料层合板的双轴向拉伸模量和强度。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种复合材料层合板双轴向拉伸性能的测试方法，设计了一种优化的复合材料层合板双轴向拉伸试验件方案及其双轴向拉伸性能测试方法，简单且便于实施，克服以往方法难以复合材料层合板双轴向拉伸性能的不足。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明一种复合材料层合板双轴向拉伸性能的测试方法，其步骤如下：

步骤一、选用复合材料层合板双轴向拉伸试验件。复合材料层合板双轴向拉伸试验件由夹持区、椭圆形过渡区、中心减薄倒角区和中心减薄标定区组成(如图2所示)，具体几何参数和尺寸如图3和图4所示，由纤维布和树脂通过复合材料成型工艺制备。为了测定复合材料层合板双轴向拉伸模量和强度性能，在整个加载过程中，复合材料层合板双轴向拉伸试验件必须保证破坏首先发生在承受典型双轴向拉伸载荷的中心减薄标定区，而非其它应力集中区。通过大量的理论分析和优化计算，设计了一种优化的复合材料层合板双轴向拉伸试验件方案(如图3和图4所示)。复合材料层合板双轴向拉伸试验件同时满足相对厚度方向旋转对称条件和相对X轴和Y轴对称条件。复合材料层合板双轴向拉伸试验件长130mm，夹持区长30mm、宽30mm、厚2.16mm、相邻两个夹持区之间的椭圆形过渡区的长轴长33.94mm、短轴长28.28mm、长轴与X轴之间的夹角为45°，中心减薄倒角区的外轮廓为边长为28.28mm、圆形倒角半径为7mm的正方形，中心减薄倒角区的外轮廓的对角线与X轴和Y轴重合，中心减薄倒角区厚度方向的倒角为11°，中心减薄标定区的厚度为0.5mm。复合材料层合板双轴向拉伸试验件的铺层方式必须是对称的。满足以上条件的复合材料层合板双轴向拉伸试验件，方可用于双轴向拉伸试验测试。复合材料层合板双轴向拉伸试验件可以按照设计方案一次整体成型，也可以先制备层合板，然后再机械加工制得。

步骤二、进行复合材料层合板双轴向拉伸试验件的双轴向拉伸测试(如图5所示)。可在任意带位移传感器和力传感器的力学试验机上进行试验制。夹持区X轴方向的加载应力为σ_x，夹持区Y轴方向的加载应力为σ_y，σ_x除以σ_y被定义为载荷比，载荷比为定值。双向加载的拉伸载荷可通过具备双向加载功能的力学试验机实现，也可通过夹具与具备单双向加载功能的力学试验机联合实现，力学试验机测定加载过程的夹持区的载荷-位移曲线。在中心减薄标定区粘贴应变片，通过应变仪测定加载过程中心减薄标定区的载荷-应变曲线。每种载荷比下，需要3或5个复合材料层合板双轴向拉伸试验件用来试验测试。

步骤三、通过有限元方法对试验数据进行处理。根据复合材料层合板双轴向拉伸试验件的几何参数、铺层、材料参数、加载条件和边界条件建立有限元模型，利用有限元模型可以得到预测的加载过程的载荷-位移曲线和载荷-应变曲线，并与试验测量结果进行对比，如果预测结果与试验结果之间的相对误差小于20％，有限元模型有被判定效，否则，需要根据试验测量结果修正有限元模型，直到满足预测结果与试验结果之间的相对误差小于20％。基于试验测得的载荷-位移曲线和载荷-应变曲线，通过被判定有效的有限元模型，可以计算得到中心减薄标定区加载过程中的X轴方向的应力和应变中心减薄标定区加载过程中的Y轴方向的应力和应变中心减薄标定区破坏时的X轴方向的应力中心减薄标定区Y轴方向的应力

复合材料层合板双轴向拉伸时X轴方向的模量为

$E_x=\frac{{\mathrm{\σ}}_x^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_x^{*}}---\left(1\right)$

复合材料层合板双轴向拉伸时X轴方向的模量为、

$E_y=\frac{{\mathrm{\σ}}_y^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_y^{*}}---\left(2\right)$

复合材料层合板双轴向拉伸时X轴方向的强度为Y轴方向的应力

其中，在步骤一中所述的“中心减薄标定区”是典型承受双轴向拉伸载荷的区域，加载过程中最先发生破坏；在步骤一中所述的“纤维布”可以是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维或植物纤维；在步骤一中所述的的“树脂”可以是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇；在步骤一中所述的“复合材料成型工艺”可以是热压罐法、真空袋法、模压法、液态成型方法、电子束固化方法。

其中，在步骤二中所述的“力学试验机”可以商用力学试验机和自制力学试验机。

其中，在步骤三中所述的“有限元模型”可以是通过商用有限元软件和自编有限元代码建立的力学分析模型。

本发明一种复合材料层合板双轴向拉伸性能的测试方法，其有益效果是设计了一种优化的复合材料层合板双轴向拉伸试验件方案及其双轴向拉伸性能测试方法，简单且便于实施，克服以往方法难以复合材料层合板双轴向拉伸性能的不足。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程框图。

图2为本试验测定方法用到的复合材料层合板双轴向拉伸试验件示意图。

图3为本试验测定方法用到的复合材料层合板双轴向拉伸试验件俯视图。

图4为本试验测定方法用到的复合材料层合板双轴向拉伸试验件剖面图。

图5为本试验测定方法用到的复合材料层合板双轴向拉伸试验件的加载示意图。

图中符号说明如下：

图2中：1.夹持区，2.椭圆形过渡区，3.中心减薄倒角区，4.中心减薄标定区组成。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。

本发明的流程图如图1所示，首先选用进行设计方案优化的复合材料层合板双轴向拉伸试验件，由夹持区1、椭圆形过渡区2、中心减薄倒角区3和中心减薄标定区4组成，然后进行复合材料层合板双轴向拉伸试验件的双轴向拉伸测试，测得加载过程的夹持区1的载荷-位移曲线和中心减薄标定区4的载荷-应变曲线，最后通过有限元方法对试验数据进行处理，获得复合材料层合板双轴向拉伸时的模量和强度。本发明的具体实施步骤如下：

步骤一、选用复合材料层合板双轴向拉伸试验件。复合材料层合板双轴向拉伸试验件由夹持区1、椭圆形过渡区2、中心减薄倒角区3和中心减薄标定区4组成(如图2所示)，具体几何参数和尺寸如图3和图4所示，由纤维布和树脂通过复合材料成型工艺制备。为了测定复合材料层合板双轴向拉伸模量和强度性能，在整个加载过程中，复合材料层合板双轴向拉伸试验件必须保证破坏首先发生在承受典型双轴向拉伸载荷的中心减薄标定区3，而非其它应力集中区。通过大量的理论分析和优化计算，设计了一种优化的复合材料层合板双轴向拉伸试验件方案(如图3和图4所示)。复合材料层合板双轴向拉伸试验件同时满足相对厚度方向旋转对称条件和相对X轴和Y轴对称条件。复合材料层合板双轴向拉伸试验件长130mm，夹持区1长30mm、宽30mm、厚2.16mm、相邻两个夹持区1之间的椭圆形过渡区2的长轴长33.94mm、短轴长28.28mm、长轴与X轴之间的夹角为45°，中心减薄倒角区3的外轮廓为边长为28.28mm、圆形倒角半径为7mm的正方形，中心减薄倒角区3的外轮廓的对角线与X轴和Y轴重合，中心减薄倒角区3厚度方向的倒角为11°，中心减薄标定区4的厚度为0.5mm。复合材料层合板双轴向拉伸试验件的铺层方式必须是对称的。满足以上条件的复合材料层合板双轴向拉伸试验件，方可用于双轴向拉伸试验测试。复合材料层合板双轴向拉伸试验件可以按照设计方案一次整体成型，也可以先制备层合板，然后再机械加工制得。

其中，在步骤一中所述的“中心减薄标定区”是典型承受双轴向拉伸载荷的区域，加载过程中最先发生破坏；在步骤一中所述的“纤维布”可以是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维或植物纤维；在步骤一中所述的的“树脂”可以是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇；在步骤一中所述的“复合材料成型工艺”可以是热压罐法、真空袋法、模压法、液态成型方法、电子束固化方法。

步骤二、进行复合材料层合板双轴向拉伸试验件的双轴向拉伸测试(如图5所示)。可在任意带位移传感器和力传感器的力学试验机上进行试验制。夹持区X轴方向的加载应力为σ_x，夹持区Y轴方向的加载应力为σ_y，σ_x除以σ_y被定义为载荷比，载荷比为定值。双向加载的拉伸载荷可通过具备双向加载功能的力学试验机实现，也可通过夹具与具备单双向加载功能的力学试验机联合实现，力学试验机测定加载过程的夹持区的载荷-位移曲线。在中心减薄标定区粘贴应变片，通过应变仪测定加载过程中心减薄标定区的载荷-应变曲线。每种载荷比下，需要3或5个复合材料层合板双轴向拉伸试验件用来试验测试。

其中，在步骤二中所述的“力学试验机”可以商用力学试验机和自制力学试验机。

步骤三、通过有限元方法对试验数据进行处理。根据复合材料层合板双轴向拉伸试验件的几何参数、铺层、材料参数、加载条件和边界条件建立有限元模型，利用有限元模型可以得到预测的加载过程的载荷-位移曲线和载荷-应变曲线，并与试验测量结果进行对比，如果预测结果与试验结果之间的相对误差小于20％，有限元模型有被判定效，否则，需要根据试验测量结果修正有限元模型，直到满足预测结果与试验结果之间的相对误差小于20％。基于试验测得的载荷-位移曲线和载荷-应变曲线，通过被判定有效的有限元模型，可以计算得到中心减薄标定区加载过程中的X轴方向的应力和应变中心减薄标定区加载过程中的Y轴方向的应力和应变中心减薄标定区破坏时的X轴方向的应力中心减薄标定区Y轴方向的应力

复合材料层合板双轴向拉伸时X轴方向的模量为

$E_x=\frac{{\mathrm{\σ}}_x^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_x^{*}}---\left(1\right)$

复合材料层合板双轴向拉伸时X轴方向的模量为、

$E_y=\frac{{\mathrm{\σ}}_y^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_y^{*}}---\left(2\right)$

复合材料层合板双轴向拉伸时X轴方向的强度为Y轴方向的应力

其中，在步骤三中所述的“有限元模型”可以是通过商用有限元软件和自编有限元代码建立的力学分析模型。