一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法

1.本发明属于纤维复合材料局部损伤表征、纤维复合材料力学性能评价技术领域，特别涉及一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法。


背景技术：

2.纤维复合材料是采用单向纤维复合材料通过不同角度铺层得到，因此单向纤维复合材料的力学性能是纤维复合材料力学性能的基础。单向纤维复合材料具有高抗拉强度、高耐腐蚀性及高比强度等优点，单向纤维复合材料主要利用其内纤维优异的抗拉性能，单向纤维断裂后由于基体的黏结作用，破断纤维在离开断点一段范围后可以继续承载。
3.通常而言，单向纤维复合材料的细观损伤包括以下几类：1.纤维与基体脱黏；2.基体开裂；3.纤维断裂。这些细观损伤在荷载、环境及其耦合作用下不断演化发展最终引起单向纤维复合材料的破坏，细观损伤的演化发展直接影响单向纤维复合材料的宏观力学性能。
4.目前复合材料细观损伤表征与评价主要采用光学成像方法，但是基于光学成像方法对单向纤维复合材料试件有严格的要求，很难实现单向纤维复合材料在拉伸荷载、疲劳荷载、湿热及紫外老化作用下细观损伤演化实时原位表征。


技术实现要素：

5.本发明提供一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法，以解决现有技术中光学测试难以实时、原位及定量表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法，包括：
8.步骤s1、制作由单模光纤和相应的基体组成的模型单向纤维复合材料；
9.步骤s2、采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，根据所述模型单向纤维复合材料内全部光纤上应变、应变梯度变化，进行不同荷载条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。
10.可选地，所述s1的步骤：
11.步骤s11：分析原型单向纤维复合材料的荷载作用与截面形状，确定基本力学参数，及单向纤维体积含量；
12.步骤s12：采用单模光纤作为替代原型单向纤维复合材料中的单向纤维，每根光纤同时兼具受力与高空间分辨率应变传感的功能，并由步骤s11中的截面形状、基本力学参数以及单向纤维体积含量，根据相似原理，确定相应的基体，及纤维与基体界面的基本力学性能，并确定所述模型单向纤维复合材料的截面尺寸；
13.步骤s13：制作由所述单模光纤和相应的基体组成的所述模型单向纤维复合材料。
14.可选地，步骤s1中采用压模真空注塑或拉挤成型工艺制作所述模型单向纤维复合材料，所述模型单向纤维复合材料的截面形状与原型单向纤维复合材料的截面形状相同，
截面尺寸根据相似原理确定。
15.可选地，步骤s11中确定的基本力学参数包括以下至少一种：复合材料中纤维的抗拉强度、疲劳性能、弹性模量、纤维与基体的界面黏结强度，及基体弹性模量；步骤s12中的基本力学性能包括以下至少一种：基体的弹性模量，及基体与单模光纤的黏结强度。
16.可选地，所述s2的步骤：
17.步骤s21、在所述模型单向纤维复合材料成型后对每根光纤进行初始标定，确定复合材料内光纤相对位置与初始状态；
18.步骤s22：制作工装并根据所需表征的荷载作用设计荷载步，根据荷载步分步施加荷载，采用所述毫米级高空间分辨率应变传感技术，实时获取每根光纤上各测点的应变变化和/或光通路，判断断点位置，评价断点附近应力重分布及影响范围；
19.步骤s23：根据荷载步继续施加荷载，判断是否有新断点产生，评价应力重分布与影响范围；
20.步骤s24：重复步骤s23直至所述模型复合材料丧失稳定承载能力，确定单向纤维复合材料损伤演化历程。
21.可选地，步骤s21中初始标定，通过局部小区域升降温的方式确定光纤应变突变位置，确定自由段全部感知光纤的相对位置关系。
22.可选地，所述确定单向纤维复合材料损伤演化历程，具体包括：
23.若有新断点产生，对新断点判断产生位置，通过应变和应变梯度变化评价受已有断点影响情况、影响范围及应变集中情况；
24.若没有新断点产生，对已有断点的影响范围进行重新评价，通过应变和应变梯度变化确定当前荷载条件下断点的影响范围及应变集中情况，并判断断点两侧是否发生纤维与基体的脱黏等损伤；
25.若发生基体开裂而附近光纤未发生破断，由于基体开裂引起局部应变集中，基体开裂区边缘光纤形成桥接，光纤上的应变增加，根据光纤应变增加的位置及数量确定局部基体开裂范围；
26.若基体开裂导致光纤上应力超过所在部位抗拉强度，则光纤发生破断，确定断点位置及断丝导致的荷载重分布；
27.若光纤破断，断点处纤维与基体在所述荷载步作用下发生脱黏，则所述光纤脱黏长度范围内的应变趋于零，同时周围未断光纤的应变集中区长度随脱黏长度的增加而增大。
28.可选地，所述判断断点位置，具体包括：当光纤内某点应力超过其抗拉强度时该处发生破断，则该处由于无法形成光通路直接确定为断丝位置。
29.另一方面，提供了一种用于上述方法的装置，包括刚性护套、试验机、夹具和高空间分辨率光频域反射光纤解调仪，其中夹具设置于试验机上，刚性护套可通过夹具固定于试验机上，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪与固定于试验机上的单向纤维复合材料试件连接，所述试验机向所述模型单向纤维复合材料施加荷载步，所述高空间分辨率光频域反射光纤解调仪对所述模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试。
30.另一方面，提供了一种上述装置的使用方法，包括以下步骤：
31.步骤s1’：制作模型单向纤维复合材料试件，确定所述模型单向纤维复合材料试件
自由段长度；
32.步骤s2’：将自由段外两端的夹持段黏结锚固于刚性护套；
33.步骤s3’：将单向纤维复合材料试件通过刚性护套固定于试验机的夹具上；
34.步骤s4’：夹持段外两侧每根单模光纤与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪进行连接；
35.步骤s5’：标定单向纤维复合材料试件的初始状态；
36.步骤s6’：采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，根据所述模型单向纤维复合材料内全部光纤上应变、应变梯度变化，进行不同荷载条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。
37.本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
38.上述方法有效解决了现有技术中光学方法无法表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法的技术问题，其能实现不同荷载、环境及其耦合条件下单向纤维复合材料细观损伤演化的表征和评价，为单向纤维复合材料损伤发生、发展及演化全过程的表征与评价提供解决思路与方法。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例提供的一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法流程图；
41.图2为本发明实施例相似原理参数的示意图，其中(a)为原型单向碳纤维复合材料的参数示意图；(b)为采用单模光纤替代碳纤维的模型单向光纤复合材料的参数示意图；
42.图3为本发明实施例的单向纤维复合材料试件细观损伤评价试验装置示意图；
43.图4为本发明实施例的单向纤维复合材料试件；
44.图5为本发明实施例的单向纤维复合材料内单模光纤与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪连接示意图；
45.图6为本发明实施例的单向纤维复合材料试件夹持段示意图；
46.图7为单向纤维复合材料损伤演化过程及损伤临界聚类形成示意图，其中(a)为初始完好状态；(b)为局部断丝损伤；(c)为损伤累积过程；(d)为损伤聚类形成。
具体实施方式
47.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
48.如图1所示，本发明实施例提供了一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法，包括：
49.步骤s1、制作由单模光纤和相应的基体组成的模型单向纤维复合材料；
50.步骤s2、采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述模型单向纤维复合材料
进行光纤高空间分辨率应变测试，根据所述模型单向纤维复合材料内全部光纤上应变、应变梯度变化，进行不同条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。
51.下面结合图2-图7，详细说明本发明实施例的一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法。
52.为便于说明，假定纤维在单向纤维复合材料内为四边形均匀排布(实际均为随机排布)，所研究的原型单向碳纤维复合材料与所设计的采用单模光纤替代碳纤维的模型单向纤维复合材料的基本几何与力学参数如图2所示。根据相似原理为保证所需研究单向碳纤维复合材料与所设计的采用单模光纤替代碳纤维的单向纤维复合材料几何相似，两者采用相同的纤维体积含量vf：
[0053][0054]
当碳纤维和单模光纤的直径(d
p
、dm)和纤维体积含量vf已知时，可确定两者几何尺寸的关系：
[0055][0056]
为保证两种单向纤维复合材料的材料属性相似，纤维与基体的弹性模量比应满足：
[0057][0058]
式中：e为弹性模量，其下标p表示所研究的单向碳纤维复合材料、m表示采用单模光纤作为替代的单向纤维复合材料；上标f表示纤维、m表示基体。
[0059]
对于单向拉伸，根据无效恢复长度相似可推导两种单向纤维复合材料的纤维与基体界面属性相似关系：
[0060][0061]
式中：τ表示纤维与基体基面剪切强度。
[0062]
根据上述纤维与基体界面属性相似关系选择合适的制作单向光纤复合材料的基体，根据几何相似确定采用单模光纤作为替代的单向纤维复合材料的几何尺寸。
[0063]
选取单模光纤采用化学方法或物理方法除去光纤最外的涂覆层，保留单模光纤内部纤芯和包层作为单向纤维复合材料内的纤维丝，包层外径约125μm。根据相似原理，采用双酚a环氧树脂作为基体材料，选取纤维体积含量60％，对纤维丝的相对位置进行排布，通过压模真空注塑成型将上述除去涂覆层的纤维丝制作成直径2mm的圆截面模型单向纤维复合材料1。
[0064]
模型单向纤维复合材料1拉伸自由段长度500mm。如图3-6所示，自由段外两端采用刚性护套2通过黏结锚固设计相应的夹持段3。将该模型单向纤维复合材料1两端刚性护套2固定于试验机4的夹具5上，夹持段外两侧每根纤维丝6预留出一段长度保证与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪7进行连接。
[0065]
开始试验前通过模型单向纤维复合材料两端分别对模型单向纤维复合材料内每
根光纤进行标定确定初始状态，通过局部小区域升降温的方式确定模型单向纤维复合材料内全部光纤应变突变位置，精确至1mm，确定自由段全部光纤感知的相对位置关系。为表征模型单向纤维复合材料在单向拉伸过程中的损伤演化，采用荷载步分步加载，通过应变控制每一荷载步加载500με时采集全部光纤内的应变，其中应变采集的空间分辨率为1mm。
[0066]
如果在某一加载应变状态下，某根光纤发生断裂无法形成光通路，可以根据高空间分辨率光频域反射光纤解调仪7采集数据判断其断裂位置，(高空间分辨率光频域反射光纤解调仪7使用毫米级高空间分辨率应变传感技术，采用光频域反射(ofdr)原理实现)，并根据该位置，及邻近区域其他光纤上的应变和应变梯度变化，确定应变集中系数与荷载重分布情况，判断断丝的影响范围在该截面的影响范围及沿长度方向的影响范围。
[0067]
继续增加荷载步，类似上述过程评价是否有新的断点发生、评价应力重分布及其影响范围。如果产生新断点，需要判断新断点是否发生在已有断点附近，是否受到已有断点的影响等；如果新断点受已有断点的影响则需进一步确定两个断点的影响范围及周围完好纤维的应变集中情况；如果新断点远离已有断点则评价过程类似上述对单个断点的评价。
[0068]
如果没有新断点产生，对已有断点的影响范围进行重新评价，确定当前荷载条件下断点的影响范围及应变集中情况，并根据断点的影响范围与应变集中情况，判断断点两侧是否发生纤维与基体的脱黏等损伤；若发生基体开裂而附近光纤未发生破断，由于基体开裂引起局部应变集中，基体开裂区边缘光纤形成桥接，光纤上的应变增加，根据光纤应变增加的位置及数量确定局部基体开裂范围。
[0069]
若基体开裂导致光纤上应力超过所在部位抗拉强度，则光纤发生破断，确定断点位置及断丝导致的荷载重分布，若光纤破断，断点处纤维与基体在所述荷载步作用下发生脱黏，则所述光纤脱黏长度范围内的应变趋于零，同时周围未断光纤的应变集中区长度随脱黏长度的增加而增大，单向纤维复合材料的组成材料的性能具有随机性，同一根光纤不同部位的抗拉强度与疲劳性能具有一定的离散性，不同光纤之间亦是如此，不同部位纤维与基体的黏结性能，及基体自身的力学性能均不同，因此同一单向纤维复合材料在某一荷载步作用下，内部不同部位的细观损伤发生与发展也不相同，存在一定的离散性，最终控制所述单向纤维复合材料破坏，使其内局部形成损伤聚类，由于单向纤维复合材料轴向荷载视为由纤维丝全部承担，因此单向纤维复合材料的损伤发展与演化主要由其内纤维破断控制，并最终形成局部区域的损伤临界聚类。
[0070]
损伤演化如图7所示，白色表示完好纤维，灰色和黑色表示破断纤维，其中黑色为与当前截面共面的破断纤维。拉伸作用下单向纤维复合材料的破坏由其内纤维破断控制，单向纤维复合材料由初始完好状态，在载荷下形成局部断丝损伤，并经过损伤累积过程，形成为损伤聚类，当整个单向纤维复合材料断点持续增加达到临界损伤状态，最终发生破断。临界聚类表示破坏前局部的最大损伤，包括局部断裂纤维和损伤纤维的数量，由于不同纤维的断点可能不共面，因此其是一个局部长度方向上的小区域。采用该损伤影响区内全部断丝数量表示，可评价单向纤维复合材料在拉伸荷载作用下的损伤临界聚类8。
[0071]
通过上述过程实现拉伸荷载作用下单向纤维复合材料的损伤的表征与评价。
[0072]
本发明实施例还提供了一种用于上述方法的装置，包括刚性护套、试验机、夹具和高空间分辨率光频域反射光纤解调仪，其中夹具设置于试验机上，刚性护套可通过夹具固定于试验机上，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪与固定于试验机上的单向纤维复合材
料试件连接，所述试验机向所述模型单向纤维复合材料施加荷载，所述高空间分辨率光频域反射光纤解调仪对所述模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试。
[0073]
本发明实施例还提供了一种上述装置的使用方法，包括以下步骤：
[0074]
步骤s1’：制作模型单向纤维复合材料试件，确定所述模型单向纤维复合材料试件自由段长度；
[0075]
步骤s2’：将自由段外两端的夹持段黏结锚固于刚性护套；
[0076]
步骤s3’：将单向纤维复合材料试件通过刚性护套固定于试验机的夹具上；
[0077]
步骤s4’：夹持段外两侧每根纤维丝与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪进行连接；
[0078]
步骤s5’：采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，根据所述模型单向纤维复合材料内全部光纤上应变、应变梯度变化，进行不同条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。
[0079]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。