一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法，包括：在金属体积分数理论基础上提出利用金属层厚度占比预测碳纤维金属层合板的拉伸强度，并引入各组分的强度贡献系数；制备具有不同金属层厚度占比的碳纤维金属层合板试件并进行拉伸实验，测定拉伸强度与金属层厚度占比的关联数据并进行曲线拟合，得到金属层和碳纤维层的强度贡献系数；确定金属层厚度占比与碳纤维金属层合板的拉伸强度之间的关系；进行验证并确定误差范围。本发明专利技术对传统的金属体积分数理论进行改进，解决了该理论没有考虑界面分层与残余应力的影响导致预测结果比实际值偏大的问题。结果比实际值偏大的问题。结果比实际值偏大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法


[0001]本专利技术涉及复合材料性能检测
，尤其涉及一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法。

技术介绍

[0002]碳纤维金属层合板由高强度金属薄板(本专利技术中简称金属层)和碳纤维增强树脂(本专利技术中简称碳纤维层)交替层压复合而成，其具有密度小、比强度高、抗冲击和耐腐蚀等优良性能，广泛应用于航空航天、军事及交通等领域，如F
‑
27运输机的机翼壁板，C
‑
17运输机的后舱蒙皮、空客A380的中央翼盒，以及汽车防撞梁等。由于服役条件的特殊性，对由碳纤维金属层合板制成的结构件的力学性能有十分严格的要求，而拉伸性能是碳纤维金属层合板的重要力学性能之一；因此，研究碳纤维金属层合板拉伸性能的计算方法对纤维金属层合板的设计、制造、推广和应用等具有重要意义。
[0003]到目前为止，碳纤维金属层合板拉伸强度的计算大多采取金属体积分数占比理论，但是由于金属薄板达到屈服点后会产生塑性变形，故采用线弹性理论分析不够准确，而且该理论没有考虑界面分层与残余应力的影响，预测结果一般较实际值偏大。
[0004]“玻璃纤维
‑
铝合金正交层板的拉伸性能研究”(王亚杰等，《材料工程》第43卷第9期，2015年9月)一文，针对玻璃纤维
‑
铝合金正交层板的特点，同时考虑两个铺层方向上纤维对整体性能的影响，并结合复合材料的弹性模量混合律对MVF理论修正后得到的预测公式如下:
[0005]E
lam
>＝MVF
·
E
met
+a
·
E
FRP1
+b
·
E
FRP2
ꢀꢀ
(1)
[0006][0007][0008]式中：t为材料层厚度；E为拉伸模量；σ
t
为拉伸极限强度；σ
0.2
为拉伸屈服应力；下标lam，met和FRP1，FRP2分别代表玻璃纤维铝合金层合板，铝合金和0
°
，90
°
纤维层。但其结论包括：(1)比较A，B两组试件的拉伸实验结果可以得出：玻璃纤维
‑
铝合金正交层板的拉伸力学性能不受铺层次序的影响，只与各层组分的体积分数有关；而材料的拉伸破坏模式因纤维铺层次序的不同而显著不同，整个拉伸过程中试样A中分层不明显，试样B的铝板层和纤维层出现显著分层。(2)考虑各角度纤维铺层的体积分数并结合复合材料混合律，对MVF理论进行修正后，可以针对玻璃纤维
‑
铝合金正交层板的拉伸性能进行较为精确的理论预测。因此，该技术方案仍是基于金属体积分数
理论。
[0009]“纤维金属混杂层合板拉伸强度分析”(姜舜，赵耀，《舰船科学技术》，第33卷第5期，2011年1月)一文，基于经典层合板理论的分析方法，对纤维金属混杂层合板的理论解进行扩展，并利用有限元对纤维金属混杂对称铺设层合板进行数值分析，与单向拉伸条件下的试验值比较，认为有限元计算能满足工程计算的要求；同时着重讨论了铺层方式，金属层厚度以及金属层材料属性对拉伸强度的影响，为大型复杂结构的有限元分析提供了有益的参考。为了研究金属层厚度对纤维金属混杂层合板拉伸应力
‑
应变的影响，分别数值计算了Al层厚度为0.2
‑
0.5mm的FML(纤维金属混杂层合板)拉伸应力
‑
应变关系。铺层方式为[Al/0/90/90/0/Al]。结论是随着Al层厚度的增加，屈服应力点成正比例增大。由此可见，金属层的厚度对FML的拉伸强度的影响是很大的，而且是成比例的增加。因此，可以通过增加金属层的厚度来提高纤维金属混杂层合板的整体拉伸强度。但是其没有针对如何通过金属层厚度占比对纤维金属层合板拉伸强度进行修正计算做进一步的阐述。
[0010]本专利技术对现有的金属体积分数理论进行改进和修正，提出一种适用于预测碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法。

技术实现思路

[0011]本专利技术提供了一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法，对传统的金属体积分数理论进行改进，解决了该理论没有考虑界面分层与残余应力的影响导致预测结果比实际值偏大的问题。
[0012]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0013]一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法，包括如下步骤：
[0014]S1.在金属体积分数理论基础上，提出利用金属层厚度占比预测碳纤维金属层合板的拉伸强度，并引入各组分的强度贡献系数；
[0015]S2.制备具有不同金属层厚度占比的碳纤维金属层合板试件；
[0016]S3.对碳纤维金属层合板试件进行拉伸实验，测定拉伸强度与金属层厚度占比的关联数据；
[0017]S4.对得到的关联数据进行曲线拟合，得到金属层和碳纤维层的强度贡献系数；
[0018]S5.将金属层和碳纤维层的强度贡献系数作为常量带入碳纤维金属层合板拉伸强度计算公式，确定唯一变量即金属层厚度占比与因变量即碳纤维金属层合板的拉伸强度之间的关系；
[0019]S6.对碳纤维金属层合板拉伸强度计算公式进行验证，确定误差范围。
[0020]进一步的，所述步骤S1中，利用金属层厚度占比预测碳纤维金属层合板拉伸强度的理论公式为：
[0021][0022]式(1)中：
[0023]σ
lam
—碳纤维金属层合板的拉伸强度；
[0024]σ
met
—金属层的拉伸强度；
[0025]V
m
—金属层所占体积分数；
[0026]K
m
—金属层的强度贡献系数；
[0027]σ
CFRP
—碳纤维层的拉伸强度；
[0028]—碳纤维层中正轴方向碳纤维所占体积分数；
[0029]—碳纤维层中法向碳纤维所占体积分数；
[0030]V
RE
—碳纤维层中增强树脂所占体积分数；
[0031]K
CFRP
—碳纤维层的强度贡献系数；
[0032]σ
mix
—碳纤维金属层合板界面残余应力。
[0033]其中，σ
met
、σ
CFRP
、σ
mix
是与材料自身属性有关的定值，且强度贡献系数为常量；
[0034]进一步得到：
[0035][0036]式(2)中：
[0037]S—碳纤维金属层合板的铺层面积；
[0038]h
m
—金属层的总厚度；
[0039]V
总
—碳纤维金属层合板总体积；
[0040]假设在碳纤维金属层合板中，金属层与碳纤维层均为均质层，且横截面积完全相同；则得到：
[0041][0042]及
[0043]式(3)、(4)中：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.在金属体积分数理论基础上，提出利用金属层厚度占比预测碳纤维金属层合板的拉伸强度，并引入各组分的强度贡献系数；S2.制备具有不同金属层厚度占比的碳纤维金属层合板试件；S3.对碳纤维金属层合板试件进行拉伸实验，测定拉伸强度与金属层厚度占比的关联数据；S4.对得到的关联数据进行曲线拟合，得到金属层和碳纤维层的强度贡献系数；S5.将金属层和碳纤维层的强度贡献系数作为常量带入碳纤维金属层合板拉伸强度计算公式，确定唯一变量即金属层厚度占比与因变量即碳纤维金属层合板的拉伸强度之间的关系；S6.对碳纤维金属层合板拉伸强度计算公式进行验证，确定误差范围。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维金属层合板拉伸强度的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用金属层厚度占比预测碳纤维金属层合板拉伸强度的理论公式为：式(1)中：σ
lam
—碳纤维金属层合板的拉伸强度；σ
met
—金属层的拉伸强度；V
m
—金属层所占体积分数；K
m
—金属层的强度贡献系数；σ
CFRP
—碳纤维层的拉伸强度；—碳纤维层中正轴方向碳纤维所占体积分数；—碳纤维层中法向碳纤维所占体积分数；V
RE
—碳纤维层中增强树脂所占体积分数；K
CFRP
—碳纤维层的强度贡献系数；σ
mix
—碳纤维金属层合板界面残余应力。其中，σ
me...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立萍，王云龙，周新福，邱勇，徐阳，赵金义，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：