一种在疲劳试验过程中在试样的测量区（20）中确定失效的试样几何形状。在测量区（20）失效的倾向是通过使用与相似形状的薄片联接的蝴蝶结形状的试样（10）给出的。试验试样（10）具有蝴蝶结形状的轮廓，并且具有随着其从试样的相对端延伸到测量区（20）而聚合的锥形侧，从而形成由测量区（20）连接的一对梯形部分（16和18）（一个是另一个的镜像）。试样（10）的这些梯形部分（16和18）包括相似的梯形薄片将被贴附在试样的前面和后面的区域。该试验试样（10）在该测量区（20）具有最小宽度和不变的厚度并且该测量区（20）的高度不大于试验试样（10）高度的3%。
【技术实现步骤摘要】
在复合材料疲劳试验试样的测量区中引起疲劳的试样几何形状
[0001 ] 本专利技术涉及用于材料试验中的试验试样的几何形状。
技术介绍
在材料科学中，疲劳是逐渐并且局部的结构损伤，其发生在材料受到周期载荷时，也就是，在重复的加载和卸载时。如果载荷高于某一阈值，微观裂纹将在应力集中处开始形成。最终裂纹将达到临界尺寸，并且该结构将断裂。由于结构的形状导致微观水平应力集中，所以其显著影响材料的疲劳寿命。随着复合材料在航空航天结构中的最近和快速的采用，复合材料试验已经引起足够的重视和仔细检查。复合材料试样的疲劳试验具有尤其的关注，作为用于准确地确定复合材料的疲劳行为的满意的试验方法(通常以建立材料的应力与疲劳循环数(S-N)曲线的形式)仍然要被建立。当前的复合材料疲劳试样通常是由于与试验机器的相互作用而失效，从而引入试验结果的误差。更具体地，当前的复合材料试样的疲劳通常导致试验架附近到试样界面的邻接处(该区域通常被称为“夹具”)的过早失效。这产生噪音并且在一些情况中产生不可用的疲劳数据，其有时与实际的材料性能具有不可靠的关系。而且，损坏的或者修复的复合材料试样(例如，划伤、孔、补片)要求损伤或修复被置于原始试样的失效位置。在测量区域没有确定失效的情况下，比较损伤的或者修复的试样与其原始的对应试样是不可能的；因此，强度退化因素不能被建立。按照ASTM D3039，当前的试验复合材料试样疲劳的方法是使用带有附在其任何一端的矩形薄片贴矩形试样。这种试样形状被使用于稳定性和疲劳试验。然而，如在ASTMD3479(题目为“Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer MatrixComposite Materials”)6.3部分所承认的,其涉及复合材料试样的疲劳试验:“作为薄片区域附近的应力集中的结果，薄片区域内试件的过早失效在拉-拉疲劳试验中是常见的”。由于唯一的应力集中出现在薄片附近(薄片-夹具界面下面或者沿着薄片的端部，在此载荷被完全传递到复合材料)，所以当前的用于疲劳试验的试样几何形状不具备在测量段失效的倾向。虽然这在静态试验中具有有限的不利影响，但是在薄片附近的疲劳试验导致大部分的疲劳试件由于与试验机器的相互作用而过早地失效。这在试验玻璃复合材料试样中尤其显著。需要这样的试验试样几何形状，这种形状引起在复合材料试验试样中测量区的失效。
技术实现思路
本文公开的主题是在疲劳试验过程中，在试样的测量区确定失效的试样几何形状，从而产生关于期望的复合材料性质的高质量、相关数据。在测量区失效的倾向是通过使用与相类似形状的薄片联接的蝴蝶结形状的试样给出的。在本公开中，表述“相似”将被使用于其几何形状意义上，即，如果两个几何物体具有相同的形状，则被称为相似。如果两个物体相似，则每个全等于另一的相同比例。主体的试验试样由复合材料制成并且被设计为在本文中指定为测量区的中间段引起失效。这些试样具有蝴蝶结形状的轮廓和锥形侧，其随着它们从试样的相对端到测量区聚合，从而形成一对由测量区连接的梯形部分(一个是另一个的镜像)。试验试样的这些梯形部分包括以下区域，该区域中相似的梯形薄片将被贴附到试样的前面和后面。下文更详细地公开的主题的一个方面是一种复合材料试样，其包括:第一梯形部分，其具有第一和第二直锥形侧；第二梯形部分，其具有第三和第四直锥形侧；和设置在所述第一和第二梯形部分之间并且连接到所述第一和第二梯形部分的测量区，并且该测量区具有第一和第二弧形侧，该第一弧形侧被连接到第一和第三直锥形侧，并且第二弧形侧被连接到第二和第四直锥形侧，其中该试验试样在测量区具有最小的宽度和不变的厚度，并且测量区的高度(从试样的一端测量至另一端)不大于试验试样高度的3%。根据一个实施例，该第一和第二直锥形侧彼此发散并且第三和第四直锥形侧随着第一至第四直锥形侧远离测量区延伸而彼此发散。第一至第四锥形侧的锥角度可以相等。锥角可以在I到10度范围所包括的角度。第一和第三直锥形侧可以与测量区的第一弧形侧相切，并且第二和第四直锥形侧可以与测量区的第二弧形侧相切。另一个方面是一种复合材料试验试样，其具有不变的厚度和沿着竖直轴线的高度和当沿着厚度方向的轴线观察时蝴蝶结状的轮廓，其中蝴蝶结状的轮廓包括左和右侧以及顶端和底端，其中左侧包括分别从第一弧形部分朝向顶端和底端延伸的第一和第三直锥形部分，并且右侧包括分别从第二弧形部分朝向顶端和底端延伸的第二和第四直锥形部分。该第一和第二直锥形部分分别从第一和第二弧形部分以相互发散的第三和第四方向延伸。第一直锥形部分和与竖直轴线平行的交线之间的锥角度在I至10度包括的范围内。另一个方面是试样组件，其包括:由纤维增强塑料材料制成的不变厚度的试验试样，该试样包括由具有试样最小宽度的试样连接的第一和第二梯形部分，该第一和第二梯形部分和测量区形成试验试样的各自的后面部分和各自的后面部分，每个前面和后面具有蝴蝶结状的轮廓；第一和第二薄片，其分别被贴附在前面和后面的第一部分上的梯形部分；和第三和第四薄片，其分别被贴附在前面和后面的第二部分上的梯形部分。每个第一至第四薄片由纤维增强塑料材料制成并且具有梯形的轮廓。根据这个方面的一个实施例，该第一梯形部分包括第一和第二直锥形侧，该第二梯形部分包括第三和第四直锥形侧，并且该测量区包括第一和第二弧形侧。该试验试样具有在测量区的最小宽度和不变的厚度，该第一弧形侧被连接到第一和第三直锥形侧，并且该第二弧形侧被连接到第二和第四直锥形侧。测量区的高度不大于试验试样的高度的3%，并且第一直锥形部分与平行于竖直轴线的交线之间的角度在I到10度所包括的范围内。其他的方面在下面公开并提出权利要求。【附图说明】为了说明前面的和其他方面的目的，多种实施例将在下面参照附图被描述。图1A是示出已经在薄片处失效的矩形复合材料试验试样的俯视图。图1B是示出带有已经在测量段失效的锥形侧的复合材料试验试样的俯视图。图2是示出锥形角α在I到10度范围内的复合材料试验试样几何形状的俯视图。图2Α是示出图2中虚线圆内区域的放大视图。图3Α是示出没有薄片的试验试样的一端的图。图3Β是示出具有贴附在试样前后的无斜角薄片的试验试样的一端的图。图3C是示出具有贴附在试样前后的斜角薄片的试验试样的一端的图。在下面将参照附图，其中在不同附图中相似的元件具有相同的参考号。【具体实施方式】本文公开的试验试样几何形状在划痕复合材料试样的疲劳试验领域有特别的应用。复合材料划痕试验被进行以便确定复合材料试样上各种划痕深度的不利影响，其中复合材料试验试样包括多层的铺层，每层包括纤维增强塑料。相邻的层的纤维方向不同以提供最终层压板的增加的强度和刚度。该复合材料铺层试样能够使用按照期望的试样几何形状编程的喷水器切割。每个试样包括在试样的相对端的第一和第二载荷施加区域，在该区域薄片将被粘合，和减小截面的相对较窄的中间段(下面成为“测量区”)，其被设计以促进在试样中间区的失效。每个载荷施加区域将具有粘合在其两端的一对薄片。该薄片便于通过试验机器将试验载荷施加到试样。复合材料划痕试验的一个实施方式要求原始试样和带有引入穿过测量区的划痕的试样二者的疲劳试验。然后原始试样和划痕试样的S-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复合材料试验试样（10），所述试样包括：第一梯形部分（16），其具有第一和第二直锥形侧（12a和12b）；第二梯形部分（18），其具有第三和第四直锥形侧（12c和12d）；和设置在所述第一和第二梯形部分（16和18）之间并且连接到所述第一和第二梯形部分（16和18）的测量区（20），并且其具有第一和第二弧形侧（14a和14b），所述第一弧形侧（14a）被连接到所述第一和第三直锥形侧（12a和12c），并且所述第二弧形侧（14b）被连接到所述第二和第四直锥形侧（12b和12d），其中所述试验试样（10）具有在所述测量区（20）的最小宽度和不变的厚度，并且所述测量区（20）的高度不大于所述试验试样（10）高度的3%。
【技术特征摘要】
2013.02.18 US 13/769,4851.一种复合材料试验试样(10)，所述试样包括: 第一梯形部分(16)，其具有第一和第二直锥形侧(12a和12b)； 第二梯形部分(18)，其具有第三和第四直锥形侧(12c和12d);和 设置在所述第一和第二梯形部分(16和18)之间并且连接到所述第一和第二梯形部分(16和18)的测量区(20)，并且其具有第一和第二弧形侧(14a和14b)，所述第一弧形侧(14a)被连接到所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)，并且所述第二弧形侧(14b)被连接到所述第二和第四直锥形侧(12b和12d)， 其中所述试验试样(10)具有在所述测量区(20)的最小宽度和不变的厚度，并且所述测量区(20)的高度不大于所述试验试样(10)高度的3%。2.根据权利要求1所述的复合材料试验试样(10)，其中由于所述第一至第四直锥形侧(12a至12d)远离所述测量区(20)延伸，所以所述第一和第二直锥形侧(12a和12b)彼此发散并且所述第三和第四直锥形侧(12c和12d)彼此发散。3.根据权利要求1所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一至第四直锥形侧(12a至12d)的锥形角是相等的。4.根据权利要求3所述的复合材料试验试样(10)，其中所述锥形角在I到10度所包括的范围内。5.根据权利要 求1所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一和第二弧形侧(14a和14b)的半径是相等的。6.根据权利要求1所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)与所述测量区(20)的第一弧形侧(14a)相...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·李，N·C·金博尔，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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