一种获取三维机织复合材料界面强度的方法技术

本发明专利技术公开了一种获取三维机织复合材料界面强度的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、切割试件；步骤二、建立有限元模型；步骤三、实施拉伸试验；步骤四、有限元计算获取界面强度。相比于现有技术，本发明专利技术具有如下优点：1、特殊切割试件的位置和试件尺寸设计，使得试件破坏模式单一，试件的强度直接反映界面的强度；试件内部结构简单，有利于建立与试件一致的有限元模型，提高建模效率；2、试验与仿真相结合，互相印证，有利于获取更贴近真实情况的界面强度。

【技术实现步骤摘要】
一种获取三维机织复合材料界面强度的方法
本专利技术属于复合材料性能测试领域，涉及一种测试三维编织复合材料界面强度的方法。
技术介绍
复合材料中的界面，一般指的是纤维丝与基体之间的微观界面，这种微观界面是真实存在的，会影响复合材料内部的应力传递和损伤扩展。近年来，三维机织复合材料由于其优越的层间性能，逐渐成为研究的重点。在对其进行试验研究时发现，纤维束/纤维束以及纤维束/基体交界的位置往往最先出现损伤。而在对三维机织复合材料施加面外载荷（面外拉伸、面外剪切）时，纤维束/纤维束以及纤维束/基体交界的位置出现的损伤更是成为了核心的破坏模式。因此，想要准确表征三维机织复合材料的性能，就有必要获取纤维束/纤维束以及纤维束/基体交界的位置的性能。为了便于研究，一些学者将纤维束/纤维束以及纤维束/基体交界的位置也称作界面。通过对断口进行观察，发现该界面的损伤模式中混杂着微观界面脱粘、基体损伤，以及很少量的纤维丝损伤。因此，三维机织复合材料中的界面与微观界面之间是存在着本质区别的，微观界面的参数无法直接应用于三维机织复合材料的界面。三维机织复合材料的内部结构复杂，存在多向的纱线组成的空间互锁结构，难以直接通过试验获取界面性能。一部分学者在单胞级别的仿真工作中，试图通过在模型中输入不同的界面参数值，来讨论界面性能对于三维机织复合材料性能的影响，但由于三维机织复合材料的损伤模式非常复杂，这样的讨论也难以定量的给出界面的性能。目前缺乏一种简单有效的获取三维机织复合材料界面性能的方法。专利技术内容本专利技术的目的是提供一种获取三维机织复合材料界面强度的方法，该方法能够简单有效的获取三维机织复合材料界面性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种获取三维机织复合材料界面强度的方法，包括如下步骤：步骤一、切割试件沿厚度方向在三维机织复合材料板材上切割出薄片试件，其中：三维机织复合材料板的厚度方向为试件的长度方向（即拉伸方向），经纱方向或纬纱方向为试件的厚度方向；步骤二、建立有限元模型依据试件的表面照片或试件的CT图像获取试件的几何信息，据此建立试件的全尺寸有限元模型，在纤维束/基体和纤维束/纤维束交界处插入内聚力单元用于模拟界面；步骤三、实施拉伸试验（1）在准静态试验机中，使用与试件两端尺寸相匹配的夹头将试件夹持，施加小于试件最大载荷5%的预载；（2）获取试件应变信息，试验机以位移控制开始加载，直至试件完全破坏；（3）用试验机输出的载荷除以试件标距段的截面积获取试件的应力，试件最终破坏所需载荷对应的应力即为试件的强度；（4）用试件内部的应力和测量的应变绘制试件的应力应变曲线；步骤四、有限元计算获取界面强度对步骤二建立的有限元模型施加与试件一致的边界条件和外载荷，首先在弹性范围内比较模型的应力应变曲线与试验值，若二者基本一致，则不断调整内聚力强度值，直至有限元模型强度与试验值接近，此时的内聚力强度值即为三维机织复合材料的界面强度值；如果模型应力应变曲线与试验值偏差较大，则有限元模型不合格，重新建立模型，并检查模型输入参数，直至弹性段内模拟的应力应变曲线与试验值接近。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、特殊切割试件的位置和试件尺寸设计，使得试件破坏模式单一，试件的强度直接反映界面的强度；试件内部结构简单，有利于建立与试件一致的有限元模型，提高建模效率；2、试验与仿真相结合，互相印证，有利于获取更贴近真实情况的界面强度。附图说明图1是典型的三维机织复合材料内部纱线编织结构；图2是典型的试件切割位置；图3是试件与夹具的装配实例；图4是获取界面强度的流程；图5是破坏模式示意图；图中：1-经纱、2-纬纱、3-缝经纱、4-三维机织复合材料板、5-试件、6-夹具、7-卡槽、8-接头。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种获取三维机织复合材料界面强度的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、切割试件目前的研究已经表明，三维机织复合材料沿面外方向拉伸时的破坏模式以界面破坏为主导，因此面外拉伸方向的试件更符合需求。沿厚度方向在三维机织复合材料板材上切割出薄片试件，在保证试件内部存在典型的界面结构（试件的厚度方向至少含有一束完整的纤维束）的前提下，试件的尺寸应尽可能小，以简化试件的结构。在该种切割方式下，试件的长度方向与板材的厚度方向尺寸一致，为了便于试件夹持，其长度应尽量长，因此用于切割试件的三维机织复合材料的板材厚度也应尽量厚（大于10mm）。步骤二、建立有限元模型依据试件表面照片，或试件的CT图像，获取试件的几何信息，据此建立试件的全尺寸有限元模型，在纤维束/基体和纤维束/纤维束交界处插入内聚力单元用于模拟界面。步骤三、实施拉伸试验在准静态试验机中，使用与试件两端尺寸相匹配的夹头将试件夹持，施加小于试件最大载荷5%的预载，在试件表面贴应变片（或夹持引伸计，亦或喷涂散斑使用数字图像相关）获取其应变信息，试验机以位移控制开始加载，直至试件完全破坏。用试验机输出的载荷除以试件标距段的截面积获取试件的应力，试件最终破坏所需载荷对应的应力即为试件的强度。用试件内部的应力和测量的应变绘制试件的应力应变曲线。步骤四、有限元计算获取界面强度对有限元模型施加与试件一致的边界条件和外载荷，首先在弹性范围内（界面处对应的内聚力单元未损伤时）比较模型的应力应变曲线与试验值，若二者基本一致，则不断调整内聚力强度值，直至有限元模型强度与试验值接近，此时的内聚力强度值即为三维机织复合材料的界面强度值；如果模型应力应变曲线与试验值偏差较大，则有限元模型不合格，需重新建立模型，并检查模型输入参数，直至弹性段内模拟的应力应变曲线与试验值接近。试件最终的失效模式应以界面破坏为主，若在试验过程中发现其他损伤模式占据主导（纤维束损伤、基体损伤），则本试验方法不适用于该材料体系的三维机织复合材料。实施例：图1为典型的三维机织复合材料内部纱线编织结构，是本专利技术的研究对象，包含经纱1、纬纱2和缝经纱3，三种纱线之间存在空间互锁（部分三维机织复合材料只有经纱1和纬纱2，没有缝经纱3，但是在经纱1与纬纱2之间也存在空间互锁结构，因此也是本专利技术的研究对象）。图1右侧为局部坐标系，方向1为经纱方向，方向2为纬纱方向，方向3为厚度方向。图2为典型的试件切割位置。在三维机织复合材料板4中，沿方向1与方向3组成的平面（或方向2与方向3组成的平面，需根据实际三维机织复合材料结构确定）切割出试件5。指定方向3，即三维机织复合材料板4的厚度方向，为试件的长度方向。使用的三维机织复合材料板4厚度应大于10mm，以保证试件5具有足够的长度。指本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种获取三维机织复合材料界面强度的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：/n步骤一、切割试件/n沿厚度方向在三维机织复合材料板材上切割出薄片试件；/n步骤二、建立有限元模型/n依据试件的表面照片或试件的CT图像获取试件的几何信息，据此建立试件的全尺寸有限元模型，在纤维束/基体和纤维束/纤维束交界处插入内聚力单元用于模拟界面；/n步骤三、实施拉伸试验/n（1）在准静态试验机中，使用与试件两端尺寸相匹配的夹头将试件夹持，施加小于试件最大载荷5%的预载；/n（2）获取试件应变信息，试验机以位移控制开始加载，直至试件完全破坏；/n（3）用试验机输出的载荷除以试件标距段的截面积获取试件的应力，试件最终破坏所需载荷对应的应力即为试件的强度；/n（4）用试件内部的应力和测量的应变绘制试件的应力应变曲线；/n步骤四、有限元计算获取界面强度/n对步骤二建立的有限元模型施加与试件一致的边界条件和外载荷，首先在弹性范围内比较模型的应力应变曲线与试验值，若二者基本一致，则不断调整内聚力强度值，直至有限元模型强度与试验值接近，此时的内聚力强度值即为三维机织复合材料的界面强度值；如果模型应力应变曲线与试验值偏差较大，则有限元模型不合格，重新建立模型，并检查模型输入参数，直至弹性段内模拟的应力应变曲线与试验值接近。/n...

【技术特征摘要】
1.一种获取三维机织复合材料界面强度的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、切割试件
沿厚度方向在三维机织复合材料板材上切割出薄片试件；
步骤二、建立有限元模型
依据试件的表面照片或试件的CT图像获取试件的几何信息，据此建立试件的全尺寸有限元模型，在纤维束/基体和纤维束/纤维束交界处插入内聚力单元用于模拟界面；
步骤三、实施拉伸试验
（1）在准静态试验机中，使用与试件两端尺寸相匹配的夹头将试件夹持，施加小于试件最大载荷5%的预载；
（2）获取试件应变信息，试验机以位移控制开始加载，直至试件完全破坏；
（3）用试验机输出的载荷除以试件标距段的截面积获取试件的应力，试件最终破坏所需载荷对应的应力即为试件的强度；
（4）用试件内部的应力和测量的应变绘制试件的应力应变曲线；
步骤四、有限元计算获取界面强度
对步骤二建立的有限元模型施加与试件一致的边界条件和外载荷，首先在弹性范围内比较模型的应力应...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙锐坚，果立成，郝留磊，李志兴，张莉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23