一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，包括以下步骤：(1)开展不同应力比和不同纤维桥接作用下的复合材料层板I型疲劳分层试验；(2)利用柔度法确定疲劳分层阻力G

【技术实现步骤摘要】
一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法
本专利技术涉及复合材料层板疲劳分层扩展速率预测领域，具体涉及一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法。
技术介绍
复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀及抗疲劳性能优异等特点，被广泛应用于航空航天领域内。复合材料层合板由于在厚度方向上没有增强，层间性能远低于面内性能。同时由于铺层间热膨胀系数的各向异性及泊松比的不匹配，在结构的变厚度区域、自由边和孔边等几何不连续处会产生高层间应力集中区。这种较弱的层间性能承受高的层间应力会导致复合材料层板在服役过程中极易出现分层损伤。分层是复合材料结构中最主要和最为常见的破坏形式之一。复合材料结构力学性能对分层的敏感性是许多先进复合材料结构设计时的主要关注点之一。除了主要的分层失效外，复合材料层板结构在疲劳载荷下还将产生基体开裂和纤维拨出与断裂等失效行为。如此复杂的失效形式和损伤扩展到不规律性给疲劳分层的研究带来了极大的困难。因此，以往的复合材料设计通常基于损伤无扩展和静力覆盖疲劳概念。但是这种概念导致结构设计上的保守，无法充分发挥先进复合材料在减重上的潜能。因此，损伤扩展的概念被逐渐用于复合材料的设计，这就需要设计师深入掌握复合材料的失效机理并建立有效的预测模型。研究者针对复合材料疲劳分层扩展行为开展了大量研究，并提出了基于断裂力学的各种方法来表征疲劳分层扩展行为。其中Paris模型及其变化形式被成功运用于不同情况下的疲劳分层行为表征，但是这种模型中的指数参数较大，施加载荷的微小变化将造成所预测疲劳分层扩展速率的较大变化。因此，不适用于实际复合材料结构的设计中。为降低Paris模型中指数的大小，研究者提出了归一化的疲劳分层模型，但是这种归一化方法的内在机理尚不清楚，造成了现有疲劳分层模型在运用时的局限性。此外，纤维桥接是复合材料层板分层扩展中的重要现象，与应力比一起，都是分层扩展行为的重要影响因素。需要建立一种新的疲劳分层模型来考虑应力比和纤维桥接的影响，预测其他应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法。提出的新型疲劳分层模型能够有效地考虑应力比和纤维桥接的影响。利用不同应力比和特定纤维桥接作用下的有限试验数据可以确定疲劳分层模型中的关键参数，可预测其它应力比和纤维桥接作用程度下的疲劳分层扩展速率，因此可以显著缩短试验周期，降低试验费用。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，包括以下步骤：步骤1，根据ASTM标准D5528-13对复合材料层板进行拉伸载荷下的静力和疲劳分层扩展试验，分别获得静力层间断裂韧性、不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展试验数据；步骤2，利用柔度法确定疲劳分层阻力Gcf(a)；步骤3，计算分层扩展驱动力ΔGeq，将扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量；步骤4，建立采用ΔGeq/Gcf(a)作为控制参量的新型疲劳分层模型，采用该模型对步骤1中获得的典型试验数据进行拟合，获得模型参数C、m和γ；步骤5，采用参数确定的疲劳分层模型预测其他应力比和纤维桥接作用情况下的疲劳分层扩展速率。进一步的，所述铺层顺序为(+45/-45/06)S//(-45/+45/06)S的复合材料层板是采用T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂体系的预浸料按照顺序铺设后，经过固化炉固化和采用金刚石刀具按照设计尺寸切割而成。进一步的，所述步骤2采用柔度法确定疲劳分层阻力是通过比较具有相同长度的疲劳与静力分层试样的柔度实现的。进一步的，所述步骤3中分层扩展驱动力采用修正梁理论公式计算，所需实验数据包括分层长度和对应的载荷与位移。其计算公式为：其中，γ是一个材料常数，Gmax是疲劳载荷下的最大应变能释放率，Gmin是疲劳载荷下的最小应变能释放率，计算公式为：其中，P、δ、a和B分别为载荷、施加位移、分层长度和试样宽度。Δ为分层长度的修正量，用来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。进一步的，所述步骤4中采用扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量，基于该控制参量建立的新型疲劳分层模型为：其中，ΔGeq为分层扩展驱动力，Gcf(a)是裂纹长度为a时的疲劳分层阻力，N是疲劳载荷的循环次数，是疲劳分层扩展速率，C、m和γ与材料相关的参数。进一步的，所述步骤4中新型疲劳分层模型中拟合参数C、m和γ是通过对不同应力比和不同纤维桥接作用下的典型疲劳试验数据进行最小二乘拟合获得的。进一步的，所述步骤5通过参数确定的新型疲劳分层模型可以预测任何其他应力比和纤维桥接作用程度下疲劳分层扩展速率。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1、针对现有归一化模型缺乏物理依据的情况，提出从扩展驱动力和分层阻力角度对疲劳分层扩展行为表征参量进行构建，该思想具有通用性。2、针对现有疲劳分层模型没有综合考虑应力比和纤维桥接作用的影响，提出了考虑这两个因素的简洁模型，可实现不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率的预测。3、本专利技术利用特定应力比和纤维桥接作用的疲劳分层扩展数据确定新模型中的待定参数，通过参数确定的模型可预测任意其它应力比和纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率，可显著缩短测试工作量，降低试验费用。4、本专利技术的预测结果已经过试验验证，预测结果与试验结果有较好的一致性，因此本专利技术预测方法的精度较高。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是拉伸载荷下I型静力和疲劳分层试验加载方案，(a)DCB试验装置，(b)试样加载时观察到分层后缘的桥接纤维；图3是T700/QY9511层合板在应力比0.1、0.3、0.5和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图；图4是T700/QY9511层合板采用疲劳分层新模型对试验数据拟合获得的曲线；图5是铺层顺序为[016//016]的M30SC/DT120层合板在三种应力比0.1、0.5、0.7和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图；图6是采用疲劳分层新模型对铺层顺序为[016//016]的M30SC/DT120层合板试验数据拟合获得的曲线；图7是铺层顺序为[(±45/06)S//(±45/06)S]的M30SC/DT120层合板在三种应力比0.1、0.5、0.7和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图；图8是采用疲劳分层新模型对铺层顺序为[(±45/06)S//(±45/06)S]的M30SC/D本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1，根据ASTM标准D5528-13对复合材料层板进行拉伸载荷下的静力和疲劳分层扩展试验，分别获得静力层间断裂韧性、不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展试验数据；/n步骤2，利用柔度法确定疲劳分层阻力G

【技术特征摘要】
1.一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，根据ASTM标准D5528-13对复合材料层板进行拉伸载荷下的静力和疲劳分层扩展试验，分别获得静力层间断裂韧性、不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展试验数据；
步骤2，利用柔度法确定疲劳分层阻力Gcf(a)；
步骤3，计算分层扩展驱动力ΔGeq，将扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量；
步骤4，建立采用ΔGeq/Gcf(a)作为控制参量的新型疲劳分层模型，采用该模型对步骤1中获得的典型试验数据进行拟合，获得模型参数C、m和γ；
步骤5，采用参数确定的疲劳分层模型预测其他应力比和纤维桥接作用情况下的疲劳分层扩展速率。


2.根据权利要求1所述的一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，其特征在于：所述复合材料层板的铺层顺序为(+45/-45/06)S//(-45/+45/06)S，其中双斜杠//表示聚四氟乙烯薄膜的位置，聚四氟乙烯薄膜用于形成预制裂纹。


3.根据权利要求1所述的一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，其特征在于：所述铺层顺序为(+45/-45/06)S//(-45/+45/06)S的复合材料层板是采用T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂体系的预浸料按照顺序铺设后，经过固化炉固化和采用金刚石刀具按照设计尺寸切割而成。


4.根据权利要求1所述的一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，其特征在于：采用柔度法确定疲劳分层阻力是通过比较静力与疲劳试样的柔度实现。
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【专利技术属性】
技术研发人员：龚愉，张寒松，姚建尧，刘浩，张建宇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50