一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法技术

本发明专利技术公开了一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法，包括S1：制作由单模光纤和相应的基体组成的模型单向纤维复合材料；S2：施加荷载与环境耦合作用，对模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，根据应变、应变梯度变化，进行单向纤维复合材料细观损伤演化原位表征；S3：重复S1和S2，得到一系列损伤临界聚类及耐久性数据，通过统计分析得到耐久性演化规律；S4：选择耐环境腐蚀性能不同的基体，重复S1

【技术实现步骤摘要】
一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法


[0001]本专利技术属于纤维复合材料耐久性损伤表征、纤维复合材料力学性能评价领域，特别涉及一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法。

技术介绍

[0002]纤维复合材料是采用单向纤维复合材料通过不同角度铺层得到，因此单向纤维复合材料的力学性能是纤维复合材料力学性能的基础。单向纤维复合材料具有高抗拉强度、高耐腐蚀性及高比强度等优点，单向纤维复合材料主要利用其内纤维优异的抗拉性能，单向纤维断裂后由于基体的黏结作用，破断纤维在离开断点一段范围后可以继续承载。
[0003]单向纤维复合材料在特定环境作用下，基体可能遭受环境侵蚀，如湿热老化作用、紫外老化等，导致基体开裂或黏结性能降低，形成局部细观损伤导致纤维与基体无法共同工作，随着服役时间增加，细观损伤不断演化发展最终导致单向纤维复合材料发生破坏。因此，在荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料的力学性能退化严重。单向纤维复合材料的细观损伤包括以下几类：1.纤维与基体脱黏；2.基体开裂；3.纤维断裂。这些细观损伤在荷载、环境及其耦合作用下不断演化发展，并最终由于单向纤维复合材料内纤维断裂并形成损伤临界聚类控制单向纤维复合材料的破坏。
[0004]现有技术中光学成像方法对单向纤维复合材料试件有严格的要求，无法实现荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤演化的原位表征，无法确定荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料强度、疲劳寿命及疲劳剩余强度损伤临界聚类的特征，目前尚无有效的方法确定荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤演化规律。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法，解决现有技术中光学测试难以实现荷载与环境耦合作用下，原位表征单向纤维复合材料细观损伤演化及定量评价临界损伤的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：制作由单模光纤和相应的基体组成的模型单向纤维复合材料；
[0009]步骤S2：施加荷载与环境耦合作用，采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，根据所述模型单向纤维复合材料内全部光纤上应变、应变梯度变化，进行荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤演化原位表征；
[0010]步骤S3：重复步骤S1和S2，得到一系列荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料
损伤临界聚类及其耐久性数据，通过统计分析确定老化寿命、损伤临界聚类及其剩余力学性能的概率分布函数及其参数，得到耐久性演化规律；
[0011]步骤S4：选择耐环境腐蚀性能不同的基体制作模型单向纤维复合材料，重复步骤S1
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S3，获取不同基体对单向纤维复合材料耐久性的影响规律。
[0012]进一步的，步骤S1包括：
[0013]步骤S11：分析原型单向纤维复合材料的荷载与环境作用、截面形状与尺寸，确定基本力学参数，及单向纤维体积含量；
[0014]步骤S12：采用单模光纤作为替代原型单向纤维复合材料中的单向纤维，并根据相似原理，确定所需基体及纤维与基体界面的基本力学性能，耐环境老化性能，选择合适的基体，并确定模型单向纤维复合材料的截面尺寸；
[0015]步骤S13：制作由单模光纤和所选基体组成的模型单向纤维复合材料。
[0016]进一步的，步骤S11中确定的基本力学参数包括以下至少一种：复合材料中纤维的抗拉强度，疲劳性能，弹性模量，纤维与基体的界面黏结强度，及基体弹性模量；步骤S12中基体的基本力学性能包括以下至少一种：基体弹性模量，及基体与单模光纤的黏结强度。
[0017]进一步的，步骤S2包括：
[0018]步骤S21：在模型单向纤维复合材料成型后对每根光纤进行初始标定，确定复合材料内光纤相对位置与初始状态；
[0019]步骤S22：设计荷载步与环境工况，然后施加荷载与工况环境，采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，实时获取每根光纤上各测点的应变变化和/或光通路，判断断点位置，评价断点附近应力重分布及影响范围；
[0020]步骤S23：根据荷载步与环境工况继续施加荷载与工况环境，判断是否有新断点产生，评价应力重分布与影响范围；
[0021]步骤S24：重复步骤S23直至模型复合材料丧失稳定承载能力，进行荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤演化原位表征。
[0022]进一步的，步骤S21中初始标定，通过局部小区域升降温的方式确定光纤应变突变位置，确定自由段全部感知光纤的相对位置关系。
[0023]进一步的，步骤S1中采用压模真空注塑或拉挤成型工艺制作模型单向纤维复合材料，模型单向纤维复合材料的截面形状与原型单向纤维复合材料的截面形状相同，截面尺寸根据相似原理确定。
[0024]进一步的，评价应力重分布与影响范围，包括：
[0025]若没有新断点产生，对已有断点的影响范围进行重新评价，通过应变和应变梯度变化确定当前荷载条件下断点的影响范围及应变集中情况，并判断断点两侧是否发生纤维与基体的脱黏等损伤；
[0026]若有新断点产生，对新断点判断产生位置，通过应变和应变梯度变化评价受已有断点影响情况、影响范围及应变集中情况。
[0027]若环境作用导致基体性能退化，在荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料表面基体发生开裂而附近光纤未发生破断，由于基体开裂引起局部应变集中，基体开裂区边缘光纤形成桥接，光纤上的应变增加，根据光纤应变增加的位置及数量可以确定局部基体开裂范围；
[0028]若基体开裂导致光纤上应力超过该部位抗拉强度则光纤发生破断，确定断点位置及断丝导致的荷载重分布；
[0029]若荷载与环境耦合作用下断点处纤维与基体发生脱黏，则该光纤脱黏长度范围内的应变趋于零，同时周围未断光纤的应变集中区长度随脱黏长度的增加而增大。
[0030]同时，本专利技术提供了一种用于上述方法的装置，包括刚性护套、试验机、环境箱、高空间分辨率光频域反射光纤解调仪、夹具，其中夹具设置于试验机上，刚性护套可通过夹具固定于试验机上，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪与固定于试验机上的单向纤维复合材料试件内单模光纤连接，单向纤维复合材料试件自由段部分置于环境箱内，试验机向模型单向纤维复合材料施加荷载，环境箱向单向纤维复合材料施加工况环境，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪对模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试。
[0031]一种装置的使用方法，包括以下步骤：
[0032]步骤S1：制作单向纤维复合材料试件，确定所述单向纤维复合材料试件自由段长度；
[0033]步骤S2：将自由段外两端的夹持段黏结锚固于刚性护本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤与耐久性原位表征及分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：制作由单模光纤和相应的基体组成的模型单向纤维复合材料；步骤S2：施加荷载与环境耦合作用，采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对模型单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，根据所述模型单向纤维复合材料内全部光纤上应变、应变梯度变化，进行荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤演化原位表征；步骤S3：重复步骤S1和S2，得到一系列荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料损伤临界聚类及其耐久性数据，通过统计分析确定老化寿命、损伤临界聚类及其剩余力学性能的概率分布函数及其参数，得到耐久性演化规律；步骤S4：选择耐环境腐蚀性能不同的基体制作模型单向纤维复合材料，重复步骤S1
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S3，获取不同基体对单向纤维复合材料耐久性的影响规律。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：步骤S11：分析原型单向纤维复合材料的荷载与环境耦合作用、截面形状与尺寸，确定基本力学参数，及单向纤维体积含量；步骤S12：采用单模光纤作为替代原型单向纤维复合材料中的单向纤维，并根据相似原理，确定所需基体及纤维与基体界面的基本力学性能，耐环境老化性能，选择合适的基体，并确定模型单向纤维复合材料的截面尺寸；步骤S13：制作由单模光纤和所选基体组成的模型单向纤维复合材料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S11中确定的基本力学参数包括以下至少一种：复合材料中纤维的抗拉强度，疲劳性能，弹性模量，纤维与基体的界面黏结强度，及基体弹性模量；步骤S12中基体的基本力学性能包括以下至少一种：基体弹性模量，及基体与单模光纤的黏结强度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：步骤S21：在模型单向纤维复合材料成型后对每根光纤进行初始标定，确定复合材料内光纤相对位置与初始状态；步骤S22：设计荷载步与环境工况，然后施加荷载与工况环境，采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，实时获取每根光纤上各测点的应变变化和/或光通路，判断断点位置，评价断点附近应力重分布及影响范围；步骤S23：根据荷载步与环境工况继续施加荷载与工况环境，判断是否有新断点产生，评价应力重分布与影响范围；步骤S24：重复步骤S23直至模型复合材料丧失稳定承载能力，进行荷载与环境耦合作用下单向纤维复合材料细观损伤演化原位表征。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S21中初始标定，通过局部小区域升降温的方式确定光纤应变突变位置，确定自由段全部感知光纤的相对位置关系。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中采用压模真空注塑或拉挤成型工艺制作模型单向纤维复合材料，模型单向纤维复合材料的截面形状与原型单向纤维复合材料的截面形状相同，截面尺寸根据相似原理确定。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，评价应力重分布与影响范围，包括：
若没有新断点产生，对已有断点的影响范围进行重新评价，通过应变和应变梯度变化确定当前荷载条件下断点的影响范围及应变集中情况，并判断断点两侧是否发生纤维与基体的脱黏等损伤；若有新断点产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰成明，刘洋平，岳清瑞，吴敬宇，黄尚洪，毛雅赛，
申请(专利权)人：山东建筑大学北玻院滕州复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：