一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的方法技术

本发明专利技术公开一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的方法，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：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，提取失稳时损伤临界聚类、损伤临界聚类所处的截面位置及模型单向纤维复合材料的力学性能等数据；S3：重复S1

【技术实现步骤摘要】
一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的方法


[0001]本专利技术属于纤维复合材料临界损伤表征及力学性能评价
，特别涉及一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的方法。

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，同时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]通常而言，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，并最终由于复合材料内纤维断裂，形成损伤临界聚类控制复合材料破坏。
[0004]单向纤维复合材料由其内大量的纤维丝承担沿纤维长度方向的荷载，纤维丝在荷载作用下发生破断，在某一小区域内形成断丝聚类，由于断丝聚类引起的荷载重分布导致周围未断纤维丝加剧破坏逐渐形成一个相对较大的损伤聚类，当该区域内的断丝数量达到一个临界值时，单向纤维复合材料的损伤发生失稳，整个单向纤维复合材料破坏。
[0005]对于单向纤维复合材料内部的断丝而言，断点周围可以参与荷载重分布的纤维丝数相对较多；但对于单向纤维复合材料表面的断丝而言，由于纤维丝处于复合材料的边界，断点周围可以参与荷载重分布的纤维丝数相对较少，因此表面断丝导致周围未断纤维上的应力集中更显著，更容易在表面断点的局部发生断丝聚类。特别是当单向纤维复合材料的截面形状为矩形或有尖锐角度时，角部区域一旦有断丝，周围能参与荷载重分布的纤维丝数量相对较少，单向纤维复合材料更容易在该部位率先形成断丝聚类，并逐渐演化成损伤临界聚类控制单向纤维复合材料的破坏，即边界效应会影响单向纤维复合材料的力学性能。随着单向纤维复合材料的截面增大，处于内部的纤维丝数增加，边界效应的影响降低，内部纤维丝存在缺陷的可能性增大，且随着长度的增加，单向纤维复合材料沿长度方向存在缺陷的可能性增大，相同截面尺寸的单向纤维复合材料，其力学性能随着长度增大而降低，单向纤维复合材料表现出明显的尺寸效应。
[0006]现有技术中基于光学成像方法对单向纤维复合材料试件有严格的要求，无法表征边界效应对单向纤维复合材料破坏成因的影响，目前尚无有效的方法表征评价边界效应对单向纤维复合材料损伤临界聚类形成的贡献，无法验证边界效应对单向纤维复合材料力学性能的影响，因此亟需通过有效的表征测试方法定量评价边界效应对单向纤维复合材料损伤聚类初始形成及其力学性能的影响，为单向纤维复合材料力学性能预测提供支撑。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的
方法，解决现有技术中光学测试难以定量评价单向纤维复合材料的边界效应对其损伤聚类形成及损伤演化的技术问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的方法，包括以下步骤：
[0010]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；
[0011]步骤S2：采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述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，提取模型单向纤维复合材料丧失稳定承载力时，损伤临界聚类、损伤临界聚类所处的截面位置及模型单向纤维复合材料的力学性能等数据；
[0012]步骤S3：重复步骤S1
‑
S2，提取一系列步骤S2所述数据，计算控制模型单向纤维复合材料破坏的损伤临界聚类处于边界和内部的概率，确定损伤临界聚类处于边界和内部时与其力学性能对应关系；
[0013]步骤S4：在保持模型单向纤维复合材料其他参数不变的情况下，改变截面尺寸和长度，重复步骤S1
‑
S3，获取模型单向纤维复合材料力学性能随截面尺寸与长度的演化关系，确定边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能的影响。
[0014]进一步的，步骤S1包括：
[0015]步骤S11：分析原型单向纤维复合材料的荷载作用与截面形状，确定基本力学参数，及单向纤维体积含量；
[0016]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，并由步骤S11中的截面形状、基本力学参数以及单向纤维体积含量，根据相似原理，确定相应的基体，及纤维与基体界面的基本力学性能，并确定所述模型单向纤维复合材料的截面尺寸；
[0017]步骤S13：制作由所述单模光纤和相应的基体组成的所述模型单向纤维复合材料。
[0018]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所述模型单向纤维复合材料，所述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。
[0019]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中的基本力学性能包括以下至少一种：基体的弹性模量，及基体与单模光纤的黏结强度。
[0020]进一步的，步骤S2包括：
[0021]步骤S21：在所述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；
[0022]步骤S22：制作工装并根据所需表征的荷载作用设计荷载步，根据荷载步分步施加荷载，采用所述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；
[0023]步骤S23：根据荷载步继续施加荷载，判断是否有新断点产生，评价应力重分布与影响范围；
[0024]步骤S24：重复步骤S23直至所述模型复合材料丧失稳定承载能力，提取单向纤维复合材料丧失稳定承载力时损伤临界聚类、损伤临界聚类所处的截面位置及单向纤维复合
材料的力学性能。
[0025]进一步的，步骤S21中初始标定，通过局部升降温的方式确定单向纤维复合材料内全部光纤应变突变位置，及其位于截面的相对位置；通过轻微挤压方法获取单向纤维复合材料全部边界上纤维丝的相对位置。
[0026]进一步的，评价应力重分布与影响范围，包括：
[0027]若产生新断点，需要判断新断点是否发生在已有断点和截面边界附近，是否受到已有断点或边界效应的影响等；
[0028]若没有新断点产生，对已有断点的影响范围进行重新评价，确定当前荷载下断点的影响范围及应变集中情况，根据断点的影响范围与应变集中情况判断断点两侧是否发生纤维与基体的脱黏等损伤；
[0029]若发生基体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，根据光纤应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表征边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能影响的方法，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：对所述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，提取模型单向纤维复合材料丧失稳定承载力时，损伤临界聚类、损伤临界聚类所处的截面位置及模型单向纤维复合材料的力学性能等数据；步骤S3：重复步骤S1
‑
S2，提取一系列步骤S2所述数据，计算控制模型单向纤维复合材料破坏的损伤临界聚类处于边界和内部的概率，确定损伤临界聚类所处位置与力学性能对应关系；步骤S4：改变模型单向纤维复合材料截面尺寸和长度，重复步骤S1
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S3，获取模型单向纤维复合材料力学性能随截面尺寸与长度的演化关系，确定边界效应与尺寸效应对单向纤维复合材料力学性能的影响。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作用与截面形状，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，并由步骤S11中的截面形状、基本力学参数以及单向纤维体积含量，根据相似原理，确定相应的基体，及纤维与基体界面的基本力学性能，并确定所述模型单向纤维复合材料的截面尺寸；步骤S13：制作由所述单模光纤和相应的基体组成的所述模型单向纤维复合材料。3.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。4.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中的基本力学性能包括以下至少一种：基体的弹性模量，及基体与单模光纤的黏结强度。5.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：在所述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：制作工装并根据所需表征的荷载作用设计荷载步，根据荷载步分步施加荷载，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：根据荷载步继续施加荷载，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直至所述模型复合材料丧失稳定承载能力，提取单向纤维复合材料丧失稳定承载力时损伤临界聚类、损伤临界聚类所处的截面位置及单向纤维复合材料的力学性能。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S21中初始标定，通过局部升降温的方
式确定单向纤维复合材料内全部光纤应变突变位置，及其位于截面的相对位置；通过轻微挤压方法获取单向纤维复合材料全部边界上纤维丝的相对位置。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，...

【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：