【技术实现步骤摘要】
一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法
[0001]本专利技术属于纤维复合材料局部损伤表征、纤维复合材料力学性能评价
，特别涉及一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法。
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，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]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最终引起单向纤维复合材料的破坏，细观损伤的演化发展直接影响单向纤维复合材料的宏观力学性能。
[0004]目前复合材料细观损伤表征与评价主要采用光学成像方法，但是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，很难实现单向纤维复合材料在拉伸荷载、疲劳荷载、湿热及紫外老化作用下细观损伤演化实时原位表征。
技术实现思路
[0005]本专利技术提供一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法，以解决现有技术中光学测试难以实时、原位及定量表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法，包括：>[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、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，进行不同荷载条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。
[0010]可选地，所述S1的步骤：
[0011]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；
[0012]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，每根光纤同时兼具受力与高空间分辨率应变传感的功能，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；
[0013]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。
[0014]可选地，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。
[0015]可选地，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。
[0016]可选地，所述S2的步骤：
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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，确定单向纤维复合材料损伤演化历程。
[0021]可选地，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。
[0022]可选地，所述确定单向纤维复合材料损伤演化历程，具体包括：
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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，根据光纤应变增加的位置及数量确定局部基体开裂范围；
[0026]若基体开裂导致光纤上应力超过所在部位抗拉强度，则光纤发生破断，确定断点位置及断丝导致的荷载重分布；
[0027]若光纤破断，断点处纤维与基体在所述荷载步作用下发生脱黏，则所述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。
[0028]可选地，所述判断断点位置，具体包括：当光纤内某点应力超过其抗拉强度时该处发生破断，则该处由于无法形成光通路直接确定为断丝位置。
[0029]另一方面，提供了一种用于上述方法的装置，包括刚性护套、试验机、夹具和高空间分辨率光频域反射光纤解调仪，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连接，所述试验机向所述模型单向纤维复合材料施加荷载步，所述高空间分辨率光频域反射光纤解调仪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。
[0030]另一方面，提供了一种上述装置的使用方法，包括以下步骤：
[0031]步骤S1
’
：制作模型单向纤维复合材料试件，确定所述模型单向纤维复合材料试件
自由段长度；
[0032]步骤S2
’
：将自由段外两端的夹持段黏结锚固于刚性护套；
[0033]步骤S3
’
：将单向纤维复合材料试件通过刚性护套固定于试验机的夹具上；
[0034]步骤S4
’
：夹持段外两侧每根单模光纤与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪进行连接；
[0035]步骤S5
’
：标定单向纤维复合材料试件的初始状态；
[0036]步骤S6
’
：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，进行不同荷载条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。
[0037]本专利技术提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0038]上述方法有效解决了现有技术中光学方法无法表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法的技术问题，其能实现不同荷载、环本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法，其特征在于：包括：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、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，进行不同荷载条件下单向纤维复合材料细观损伤的表征与评价。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1的步骤：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，每根光纤同时兼具受力与高空间分辨率应变传感的功能，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。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，所述S2的步骤：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；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，确定单向纤维复合材料损伤演化历程。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。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S24中所述确定单向纤维...
【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：
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