纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度测试方法技术

本发明专利技术纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度测试方法，包括：制备纤维增强复合材料层合板边缘环裂纹试样；设定I/III混合型层间断裂韧度测试的混合比找到混合比与对应的载荷比q的关系；分别开展试样在拉伸和扭转的加载

【技术实现步骤摘要】
纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度测试方法


[0001]本专利技术涉及纤维增强复合材料力学性能测试与表征
，具体涉及一种碳纤维增强复合材料层合板在任意I/III混合型分层混合比下分层断裂韧性值的测试方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料层合板具有较高的比强度和比刚度，可剪裁设计，疲劳性能好等诸多优良的力学性能而得到广泛应用。然而，复合材料层板在力学性能方面存在的一大缺陷是层间性能差。随着复合材料层合板在结构上的用量逐渐增加，结构形式和受载形式越来越复杂，层间性能差的问题已不能忽视。复合材料的分层形式按照裂纹面与载荷方向的角度，可分为张开型(I型)、滑移型(II型)和撕裂型(III型)三种基本形式。然而实际结构应用中复合材料层板分层往往是三种基本形式至少两种的混合型，混合模式下的分层行为以及层间断裂韧度的测量一直备受关注。
[0003]在混合型层间断裂韧性的测试方法方面，一般由两个及以上单一型测试方法叠加为混合型测试方法，ASTM(美国材料实验协会)结合I型和II型测试方法，制定了I/II混合型层间断裂韧性的测试标准。现阶段I/III混合型分层测试方法的研究有限，尚未发展精确、可靠的I/III型层间断裂韧性测试方法，文献主要有两个方法，一种为I型双悬臂梁测试和III型劈裂悬臂梁结合形成的测试方法，另一种是由III型边缘裂纹扭转测试发展出的多点弯曲板测试来实现I/III混合型分层。但此两类方法均采用了传统直线型的裂纹，通过压实现试样扭曲，受限于裂纹边缘效应的存在而导致II型分层分量都无法被消除掉，且无法实现任意混合比下的I/III混合型分层。
[0004]随着结构上复合材料结构厚度的增加，以及更多需要承受扭转、弯曲和压缩等复杂载荷结构(例如发动机风扇叶片、直升机旋翼)的出现，进而出现各种含III型混合型分层，由于I型分层模式层间断裂韧性值较低，因此，实际结构中I/III混合型分层现象越来越多。为此，亟需建立复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧性的测试方法，以便对I/III混合型层间断裂韧性进行准确表征与评价，同时也可进一步完善现有的复合材料层合板层间断裂韧性的测试方法和测试体系。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题为：克服现有I/III混合型断裂韧度测试技术的不足，基于具有圆形封闭无边界裂纹的边缘环裂纹试样，首次建立一种纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度测试方法，首先根据试样尺寸和材料性能参数、混合比计算出载荷比，将载荷比看作是与混合比相关的式子，也就能实现任意混合比模式下的I/III混合型分层断裂的测试，提高了方法的普适性，降低试验成本，便于工程应用。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度试验测试方法包括以下步骤：
[0007]步骤1，设计并制备纤维增强复合材料层合板边缘环裂纹试样，层合板试样铺层形式满足对称、均衡和准各向同性的要求；
[0008]步骤2，设定拟开展的I/III混合型层间断裂韧度测试的混合比根据给定混合比计算对应的载荷比q；
[0009]步骤3，在拉
‑
扭双轴试验机上分别开展层合板边缘环裂纹试样在拉伸和扭转的加载
‑
卸载测试，记录对应载荷
‑
位移曲线，分别得到拉伸载荷作用下的拉伸刚度K
p
，在扭转载荷作用下的扭转刚度K
T
；
[0010]步骤4，根据载荷比q、拉伸刚度K
p
、扭转刚度K
T
计算拉
‑
扭加载位移速率比
[0011]步骤5，根据拉
‑
扭加载位移速率比在位移加载模式下开展设定混合比下的I/III混合型层间断裂韧度测试，记录破坏时刻的拉伸载荷P
c
和扭转载荷T
c
；
[0012]步骤6，根据理论公式计算分层破坏时刻对应的I型应变能释放率分量G
I
和III型应变能释放率分量G
III
；
[0013]步骤7，令I型应变能释放率分量G
I
和III型应变能释放率G
III
加和，计算分层破坏时刻的总应变能释放率，即为设定混合比下I/III混合分层的层间断裂韧度G
TC
，即G
TC
＝G
I
+G
III
。
[0014]边缘环裂纹层合板试样满足对称、均衡和准各向同性的要求。对于二维平衡织物预浸料制备的复合材料，其铺层顺序为：
[0015](0/45/45/0/45/0/0/45/45/0/0/45/0/45/45/0)//crack//(0/45/45/0/45/0/0/45/45/0/0/45/0/45/45/0)。
[0016]对于单向带预浸料制备的复合材料，其铺层顺序为：
[0017](0/90/45/
‑
45/90/
‑
45/45/0/0/
‑
45/45/90/45/
‑
45/90/0)//crack//(0/90/
‑
45/45/90/45/
‑
45/0/0/45/
‑
45/90/
‑
45/45/90/0)。
[0018]所述步骤2由给定混合比计算对应的载荷比q，当给定特定混合比时，对应具体的载荷比q计算公式为：
[0019][0020]其中，P为拉伸载荷，T为扭转载荷，a为环裂纹直径，b为试样加载区直径，E为拉伸方向材料拉伸模量，G为材料1
‑
3方向剪切模量，和由下式给出：
[0021][0022][0023]所述步骤3由载荷位移曲线计算对应刚度，拉伸载荷下的拉伸刚度在扭
转载荷作用下的扭转刚度其中，ΔP为拉伸载荷变化，ΔT为扭矩载荷变化，Δu为拉伸位移变化，Δα为扭转角变化。
[0024]所述步骤4中，由步骤2计算得到的载荷比q，和步骤3确定的拉伸刚度K
p
，扭转刚度K
T
计算拉
‑
扭加载位移速率比，由下式给出：
[0025][0026]其中v
P
为拉伸位移载荷速率，v
T
为扭转位移载荷速率。
[0027]所述步骤6中，I型分层应变能释放率分量G
I
由式进行计算：
[0028]其中，
[0029][0030]III型分层应变能释放率分量G
III
由进行计算：
[0031]其中，
[0032][0033]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0034]1、本专利技术首次提出了适用于纤维增强复合材料层合板I/III混合型分层断裂韧度测试方法，可以实现任意混合比的I/III混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度测试方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，制备纤维增强复合材料层合板边缘环裂纹试样，层合板边缘环裂纹试样铺层形式同时要满足对称、均衡和准各向同性的要求；步骤2，设定拟开展的I/III混合型层间断裂韧度测试的混合比φ，根据混合比φ推导出载荷比q的表达式；步骤3，在拉
‑
扭双轴试验机上分别开展层合板边缘环裂纹试样在拉伸和扭转的加载
‑
卸载测试，记录对应载荷
‑
位移曲线，分别得到拉伸载荷作用下的拉伸刚度K
p
、在扭转载荷作用下的扭转刚度K
T
；步骤4，根据载荷比q、拉伸刚度K
p
、扭转刚度K
T
获得拉
‑
扭加载位移速率比其中v
P
为拉伸位移载荷速率，v
T
为扭转位移载荷速率；步骤5，根据拉
‑
扭加载位移速率比在位移加载模式下开展设定混合比φ下的I/III混合型层间断裂韧度测试，记录破坏时刻的拉伸载荷P
c
和扭转载荷T
c
；步骤6，根据理论公式计算分层破坏时刻对应的I型应变能释放率分量G
I
和III型应变能释放率分量G
III
；步骤7，令I型应变能释放率分量G
I
和III型应变能释放率分量G
III
加和，计算分层破坏时刻的总应变能释放率，即为设定混合比φ下I/III混合分层的层间断裂韧度G
TC
，即G
TC
＝G
I
+G
III
。2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料层合板I/III混合型层间断裂韧度测试方法，其特征在于：层合板边缘环裂纹试样为二维平衡织物预浸料制备的复合材料，其铺层顺序为：(0/4...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丽滨，贾若迪，张哲绎，刘丰睿，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：