一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，包括以下步骤：(1)设计制造碳纤维增强复合材料层板试样；(2)采用双悬臂梁、端部缺口弯曲和混合模态弯曲装置分别开展I型、II型和I/II混合型分层试验；(3)确定试样I型、II型和I/II混合型分层阻力曲线；(4)采用分层阻力曲线理论公式对数据拟合，确定不同分层试验的断裂韧性起始值、稳定值和纤维桥接长度；(5)采用B‑K准则分别对不同混合比下断裂韧性起始值和稳定值进行拟合，获得准则系数ηinit和ηprop；(6)建立一个以加载混合比为自变量的混合型分层阻力曲线预测公式。本发明专利技术通过对碳纤维增强复合材料层板特定混合比的分层断裂韧性测试，预测任意其他混合比的分层阻力曲线，便于工程应用，并可降低试验成本。

A Prediction Method for Mixed Layering Resistance Curve of Composite Materials

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法
本专利技术涉及纤维增强复合材料混合型分层阻力曲线预测的
，具体涉及一种碳纤维增强复合材料层板任意混合比下分层断裂韧性值的预测方法。
技术介绍
碳纤维增强复合材料由于高的比强度和比刚度而广泛应用于航空航天等领域实现结构减重和提高燃油效率。层板结构是工程实际中较为常用的构型，由于面外性能远低于面内性能，极易发生分层损伤。分层损伤的出现和扩展将造成结构强度和刚度显著下降，甚至引发毫无预兆的灾难性事故，这些都严重制约了复合材料在实际工程中的应用。复合材料结构要实现损伤容限设计，必须获得准确的复合材料层间断裂韧性数据用于分层扩展行为和结构强度的预测。I/II混合型分层是实际结构常见的分层损伤形式。在分层扩展过程中，裂间后缘将出现纤维桥接现象，桥接的纤维承受载荷并降低裂尖的局部应力。这种增韧机理造成分层断裂韧性随分层长度的增加而增加，即分层阻力曲线。分层阻力曲线的三个关键参数为断裂韧性起始值、断裂韧性稳定值和纤维桥接长度。为了真实表征I/II混合型分层扩展行为，需要获得分层阻力曲线。现有的大量试验研究表明加载混合比对复合材料层板断裂韧性影响显著。分层可能发生在任意混合比下，实验测定所有混合比下的复合材料断裂韧性将耗费较大的实验资源，也不可能通过实验手段穷尽所有可能出现的情形。通过测定有限的、特定加载混合比下的分层断裂韧性，建立可预测其他加载混合比下层间断裂韧性的理论模型是理想的选择。因此，有必要建立一个便于工程应用的混合型分层阻力曲线预测模型。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：提供一种预测复合材料混合型分层阻力曲线的方法。提出的以混合比为自变量的碳纤维增强复合材料层板混合型分层阻力曲线的理论公式，可利用碳纤维增强复合材料层板I型、II型和有限混合比下的层间断裂韧性测试结果，预测任意混合比下的碳纤维增强复合材料层板分层阻力曲线，因此可以显著缩短试验周期，降低试验成本。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，包括以下步骤：步骤1，设计制造具有+22.5°/-22.5°分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样；步骤2，对上述试样，采用双悬臂梁、端部缺口弯曲和混合模态弯曲试验装置分别开展I型、II型和I/II混合型分层试验，其中混合型分层试验的加载混合比为0.25、0.5和0.75；步骤3，通过实验获得载荷、位移和分层长度，确定试样的I型、II型和I/II混合型分层阻力曲线；步骤4，采用分层阻力曲线理论公式对数据进行拟合，确定不同分层试验的断裂韧性起始值、稳定值和纤维桥接长度；步骤5，采用B-K分层扩展准则对I型、II型和不同混合比下(0.25、0.5和0.75)的断裂韧性起始值进行拟合，获得准则系数ηinit；步骤6，采用B-K分层扩展准则对I型、II型和不同混合比下(0.25、0.5和0.75)的断裂韧性稳定值进行拟合，获得准则系数ηprop；步骤7，以ηinit和ηprop、I型分层断裂韧性起始值和稳定值、II型分层断裂韧性起始值和稳定值为基本参数，建立一个以加载混合比为自变量的混合型分层阻力曲线的预测公式，对任意加载混合比下层板分层阻力曲线进行预测。进一步地，碳纤维增强复合材料层板是采用T800/X850的单向带预浸料制成的。进一步地，步骤1设计、制造的具有预定+22.5°/-22.5°分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样具有如下铺层顺序：(+22.5°/-22.5°)6//(+22.5°/-22.5°)6。进一步地，步骤3采用基于修正梁理论的方法计算I型分层断裂韧度GIC，具体计算公式为：其中，PI和dI分别是对试样施加的载荷与位移，a和b分别是试样的分层长度和宽度，Δ是分层长度的修正量，用于考虑试样在裂尖位置由于材料各向异性而附加的位移和转动。所述步骤3利用柔度法确定II型层间断裂韧性GIIC的公式为：其中，PII是临界载荷，C为试样柔度；所述步骤3依据修正梁理论确定I/II混合型层间断裂韧度GI/IIC的公式为：GI/IIC＝GI+GII其中，PI/II是对试样施加的载荷，c是载荷施加点到中间加载滚轴的距离，Pg是夹具中上横梁及附在其中加载块的重量，cg为夹具的重心到中间加载滚轴的距离，Ef是试样弯曲模量，h为试样厚度，L为固定跨距。进一步地，步骤4所采用的对数据进行拟合的分层阻力曲线理论公式如下：其中，lbz和Δa分别为纤维桥接长度和分层扩展长度，Ginit和Gprop分别为分层断裂韧性起始值和稳定值。<>是一种特殊的运算法则：进一步地，所述步骤5和6中通过对I型、II型和不同混合比下的断裂韧性起始值或者稳定值进行最小二乘拟合得到准则中的参数η值，所采用的B-K分层扩展准则为：进一步地，以ηinit和ηprop、纤维桥接长度、I型分层断裂韧性起始值和稳定值、II型分层断裂韧性起始值和稳定值为基本参数，一个以加载混合比为自变量的混合型分层阻力曲线的预测公式具有如下形式：其中，和分别是I型和II型分层断裂韧性起始值，和分别是I型和II型分层断裂韧性稳定值，ηinit和ηprop分别是不同分层类型断裂韧性起始值和稳定值的B-K准则拟合参数。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术的针对现有研究无法预测碳纤维增强复合材料层板任意混合比下分层阻力曲线的问题，提出了一个便于工程应用的预测方法。(2)本专利技术可通过对有限混合比下层板分层断裂韧性的试验测试，预测任意混合比下碳纤维增强复合材料层板分层阻力曲线，故可显著减少试验测试的工作量，降低试验成本。(3)本专利技术的预测结果已经过试验验证，预测值与试验测得值有较好的一致性，表明本专利技术预测方法具有较好的适用性。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是分层试样的构型和几何尺寸(单位：mm)；图3是DCB、ENF和MMB试验装置的示意图；图4是I型、II型和I/II混合型分层断裂韧性试验数据；图5是不同混合比下层间断裂韧性起始值采用B-K准则的拟合结果；图6是不同混合比下层间断裂韧性稳定值采用B-K准则的拟合结果；图7是混合型分层阻力曲线测试值和预测值对比。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，具体实现步骤如下：步骤1：根据ASTM标准D5528-13设计并制造具有+22.5°/-22.5°分层界面的试样。试样铺层顺序分别为(+22.5°/-22.5°)6//(+22.5°/-22.5°)6。DCB、ENF和MMB实验采用相同构型和几何尺寸的试样。试样构型和几何尺寸如图2所示。碳纤维增强复合材料层板采用T800碳纤维/环氧树脂的单向带预浸料，按照指定的铺层顺序堆叠后固化得到。步骤2：分别参照ASTM标准D5528-13、D7905/D7905M-14和D6671/D6671M-13e1，开展I型、II型和I/II混合型静力分层扩展试验，图3为试验装置示意图。其中，I/II混合型静力分层扩展试验的测试混合比为0.25、0.5和0.75，通过调节加载点距试样中段的距离c实现所需考察的混合比。加载模式为位移控制，选取较低的加载速率(0.1mm/min)保证分层扩展的缓慢稳定，获得足够多的数据点。试验过程中实时记本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，设计制造具有+22.5°/‑22.5°分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样；步骤2，对上述试样，采用双悬臂梁、端部缺口弯曲和混合模态弯曲试验装置分别开展I型、II型和I/II混合型分层试验，其中混合型分层试验的加载混合比为0.25、0.5和0.75；步骤3，通过实验获得载荷、位移和分层长度，确定试样的I型、II型和I/II混合型分层阻力曲线；步骤4，采用分层阻力曲线理论公式对数据进行拟合，确定不同分层试验的断裂韧性起始值、稳定值和纤维桥接长度；步骤5，采用B‑K分层扩展准则对I型、II型和不同混合比下(0.25、0.5和0.75)的断裂韧性起始值进行拟合，获得准则系数ηinit；步骤6，采用B‑K分层扩展准则对I型、II型和不同混合比下(0.25、0.5和0.75)的断裂韧性稳定值进行拟合，获得准则系数ηprop；步骤7，以ηinit和ηprop、I型分层断裂韧性起始值和稳定值、II型分层断裂韧性起始值和稳定值为基本参数，建立一个以加载混合比为自变量的混合型分层阻力曲线的预测公式，对任意加载混合比下层板分层阻力曲线进行预测。...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，设计制造具有+22.5°/-22.5°分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样；步骤2，对上述试样，采用双悬臂梁、端部缺口弯曲和混合模态弯曲试验装置分别开展I型、II型和I/II混合型分层试验，其中混合型分层试验的加载混合比为0.25、0.5和0.75；步骤3，通过实验获得载荷、位移和分层长度，确定试样的I型、II型和I/II混合型分层阻力曲线；步骤4，采用分层阻力曲线理论公式对数据进行拟合，确定不同分层试验的断裂韧性起始值、稳定值和纤维桥接长度；步骤5，采用B-K分层扩展准则对I型、II型和不同混合比下(0.25、0.5和0.75)的断裂韧性起始值进行拟合，获得准则系数ηinit；步骤6，采用B-K分层扩展准则对I型、II型和不同混合比下(0.25、0.5和0.75)的断裂韧性稳定值进行拟合，获得准则系数ηprop；步骤7，以ηinit和ηprop、I型分层断裂韧性起始值和稳定值、II型分层断裂韧性起始值和稳定值为基本参数，建立一个以加载混合比为自变量的混合型分层阻力曲线的预测公式，对任意加载混合比下层板分层阻力曲线进行预测。2.根据权利要求1所述的一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，其特征在于：碳纤维增强复合材料层板是采用T800/X850的单向带预浸料制成的。3.根据权利要求1所述的一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，其特征在于：步骤1设计、制造的具有预定+22.5°/-22.5°分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样具有如下铺层顺序：(+22.5°/-22.5°)6//(+22.5°/-22.5°)6。4.根据权利要求1所述的一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法，其特征在于：步骤3采用基于修正梁理论的方法计算I型分层断裂韧度GIC，具体计算公式为：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚愉，姚建尧，刘浩，张建宇，胡宁，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50