复合材料修复结构界面结合强度的测试装置及测试方法制造方法及图纸

本公开提供了一种复合材料修复结构界面结合强度的测试装置、试样及测试方法。该测试装置包括：压力舱，包括外壳，外壳上开设有窗口；夹具，设置在外壳上，夹具被构造成将待测试的试样贴合在窗口上；气泵，与压力舱连通；以及相机，镜头朝向窗口，相机适用于获取试样基于压力舱的气压变化产生的形变信息，形变信息适用于计算试样的鼓起体积、应变能和脱粘面积，并据此计算获得试样界面脱粘的断裂能量释放率，本公开提供的测试装置的测试过程中贴补层间界面分层脱粘可控、可再现，根据本公开提出的测试方法能够准确的获得复合材料修复结构界面结合强度。界面结合强度。界面结合强度。

【技术实现步骤摘要】
复合材料修复结构界面结合强度的测试装置及测试方法


[0001]本公开涉及复合材料力学领域，尤其涉及一种复合材料修复结构界面结合强度的测试装置、试样及测试方法。

技术介绍

[0002]分层破坏是复合材料最常见的损伤和加工缺陷形式之一，也是复合材料修复结构补片失效最常见的损伤形式。分层破坏的发生主要由于复合材料多层结构的层间结合强度相较于面内强度较弱，因此在交变载荷、外载冲击等的作用下，容易发生界面脱粘。
[0003]由于分层破坏的普遍性，复合材料层合结构之间，以及复合材料修补结构本体和补片之间的界面结合强度是非常重要的复合材料结构设计和强度设计指标。因此准确的表征不同制备工艺、不同材料组分等情况下，复合材料层合结构的界面结合强度，以及不同修复工艺下复合材料修补结构补片和本体之间的界面结合强度，具有非常重要的工程价值，目前没有一种合适的测试装置或测试方法能够准确的测量得到复合材料修补结构补片和本体之间的界面结合强度。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本公开提供了一种复合材料修复结构界面结合强度的测试装置、试样及测试方法。
[0005]根据本公开的第一个方面，提供了一种复合材料修复结构界面结合强度的测试装置，包括：
[0006]压力舱，包括外壳，所述外壳上开设有窗口；
[0007]夹具，设置在所述外壳上，所述夹具被构造成将待测试的试样贴合在所述窗口上；
[0008]气泵，与所述压力舱连通；以及
[0009]相机，镜头朝向所述窗口，所述相机适用于获取所述试样基于所述压力舱的气压变化产生的形变信息，所述形变信息适用于计算所述试样的鼓起体积和脱粘面积，并计算获得试样界面脱粘的断裂能量释放率。
[0010]根据本公开的一些实施例，所述相机为多目相机。
[0011]根据本公开的一些实施例，所述测试装置还包括：
[0012]变送器，设置在所述压力舱内，所述变送器适用于获取所述压力舱内的气压。
[0013]根据本公开的一些实施例，所述夹具包括法兰环，所述法兰环适用于配合密封圈将所述试样密封地固定在所述窗口上。
[0014]根据本公开的第二个方面，提供一种用于测试复合材料修复结构界面结合强度的试样，适用于如上所述的测试装置，所述试样包括：
[0015]本体，为中间挖有通孔的多层复合材料层合板结构；
[0016]补片，设置在所述本体上表面；以及
[0017]界面胶层，设置在所述本体与所述补片之间，所述界面胶层适用于将所述补片粘
接在所述本体上表面上；
[0018]其中，所述补片与所述窗口相对设置。
[0019]根据本公开的一些实施例，所述试样上靠近所述补片边缘处开设有开槽，以便于引导所述试样在形变超过预设程度后从所述开槽处沿所述补片和所述本体上表面之间的层间界面分层脱粘；
[0020]其中，所述开槽在通孔周围，缺失至少一层结构，并保留至少60％本体厚度的结构，开槽的宽度包括0.5mm～3mm。
[0021]根据本公开的一些实施例，所述本体上设置有通孔，所述通孔与所述窗口的中心位置重合。
[0022]根据本公开的一些实施例，所述本体上非修补区域以及所述补片的上表面喷涂有随机散斑图案，以便于计算所述试样的三维位移。
[0023]根据本公开的一些实施例，所述试样由含孔叠层板和补片共固化法、层合板贴补法或挖去法制备而成。
[0024]根据本公开第三个方面的实施例提供一种复合材料修复结构界面结合强度的测试方法，采用如上所述的测试装置，测试方法包括：
[0025]将待测试的试样密封地固定在压力舱的窗口上；
[0026]开启气泵，逐渐增大所述压力舱内的气压以使所述试样沿着贴补层间界面逐渐分层脱粘；
[0027]获取所述试样的形变信息以及所述压力舱内的压强变化信息，根据所述形变信息计算所述试样在所有时刻的鼓起体积；
[0028]根据所述鼓起体积和所述压强变化信息计算压力做功，根据所述形变信息和所述试样的材料参数计算所述试样的应变能，根据所述形变信息计算随所述压力舱内气压变化所述试样的脱粘面积的变化；
[0029]利用所述应变能和所述压力做功计算脱粘界面的结合能；以及
[0030]利用脱粘面积的变化和所述结合能计算得到界面脱粘的断裂能量释放率。
[0031]根据本公开的一些实施例，所述获取所述试样的形变信息包括：
[0032]利用双目相机实时获取所述试样上表面的第一图像集和第二图像集；
[0033]利用所述第一图像集和所述第二图像集重建得到所述试样上表面的曲面数据；以及
[0034]根据所述曲面数据和所述试样的初始位置数据获得所述试样上表面的全场位移。
[0035]根据本公开的一些实施例，所述根据所述形变信息计算所述试样在所有时刻的鼓起体积包括：
[0036][0037]其中，V(t)表示所述鼓起体积，W表示离面位移，M和N表示选取的能够包含所有发生了鼓起区域的两个方向的像素数量，i和j是像素坐标，Δx是x方向单个位移矩阵的像素对应的物理长度，Δy是y方向单个位移矩阵的像素对应的物理长度。
[0038]根据本公开的一些实施例，所述根据所述形变信息和所述试样的材料参数计算所
述试样的应变能包括：
[0039]对所述试样的全场位移进行微分计算得到表面应变，利用板挠曲理论结合所述表面应变计算所述试样表面不同厚度方向的应变。
[0040]根据本公开的一些实施例，计算应变能包括：
[0041]计算所述试样表面的应变，包括：
[0042][0043]其中，表示卷积计算，表示x方向的梯度卷积核，表示y方向的梯度卷积核，表示t时刻上表面的沿着x方向的正应变场，表示t时刻上表面的沿着y方向的正应变场，表示t时刻上表面的剪切应变场，U(t)表示沿着x方向的位移场，V(t)表示沿着y方向的位移场，W(t)表示沿着z方向的离面位移场；
[0044]计算试样各处的弯度，包括：
[0045][0046]其中，表示通过上表面三维变形场计算的沿着x方向的弯度，表示通过上表面三维变形场计算的沿着y方向的弯度，和表示通过上表面三维变形场计算的扭转变形梯度；
[0047]根据试样的厚度计算试样内各应变分量的分布，包括：
[0048][0049]其中，η表示试样表面起向下的厚度，ε
x
(t，η)表示t时刻通过表面变形和弯度计算的各厚度坐标η处的沿着x方向的正应变场，ε
y
(t，η)表示t时刻通过表面变形和弯度计算的各厚度坐标η处的沿着y方向的正应变场，γ
x
(t，η)表示t时刻通过表面变形和弯度计算的各厚度坐标η处的剪切应变场；
[0050]计算试样整体的应变能，包括：
[0051][0052]其中，ε(t)＝[ε
x
(t,i,j,η),ε
y
(t,i,j本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料修复结构界面结合强度的测试装置，其特征在于，包括：压力舱，包括外壳，所述外壳上开设有窗口；夹具，设置在所述外壳上，所述夹具被构造成将待测试的试样贴合在所述窗口上；气泵，与所述压力舱连通；以及相机，镜头朝向所述窗口，所述相机适用于获取所述试样基于所述压力舱的气压变化产生的形变信息，所述形变信息适用于计算所述试样的鼓起体积、应变能和脱粘面积，并计算获得试样界面脱粘的断裂能量释放率。2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述相机为多目相机。3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，还包括：变送器，设置在所述压力舱内，所述变送器适用于获取所述压力舱内的气压。4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述夹具包括法兰环，所述法兰环适用于配合密封圈将所述试样密封地固定在所述窗口上。5.一种用于测试复合材料修复结构界面结合强度的试样，其特征在于，适用于如权利要求1至4中任一项所述的测试装置，所述试样包括：本体，为中间挖有通孔的多层复合材料层合板结构；补片，设置在所述本体上表面；以及界面胶层，设置在所述本体与所述补片之间，所述界面胶层适用于将所述补片粘接在所述本体上表面上；其中，所述补片与所述窗口相对设置。6.根据权利要求5所述的试样，其特征在于，所述试样的本体上靠近所述补片边缘处设有开槽，以便于引导所述试样在形变超过预设程度后从所述开槽处沿所述补片和所述本体上表面之间的层间界面分层脱粘，其中，所述开槽在通孔周围，缺失至少一层结构，并保留至少60％本体厚度的结构，开槽的宽度包括0.5mm～3mm。7.根据权利要求5所述的试样，其特征在于，所述本体上设置有通孔，所述通孔与所述窗口的中心位置重合。8.根据权利要求5所述的试样，其特征在于，所述本体上非修补区域以及所述补片的上表面喷涂有随机散斑图案，以便于计算所述试样的三维位移。9.根据权利要求5所述的试样，其特征在于，所述试样由含孔叠层板和补片共固化法、层合板贴补法或挖去法制备而成。10.一种复合材料修复结构界面结合强度的测试方法，其特征在于，采用如权利要求1至4中任一项所述的测试装置，测试方法包括：将待测试的试样密封地固定在压力舱的窗口上；开启气泵，逐渐增大所述压力舱内的气压以使所述试样沿着贴补层间界面逐渐分层脱粘；获取所述试样的形变信息以及所述压力舱内的压强变化信息，根据所述形变信息计算所述试样在所有时刻的鼓起体积；根据所述鼓起体积和所述压强变化信息计算压力做功，根据所述形变信息和所述试样的材料参数计算所述试样的应变能，根据所述形变信息计算所述试样的脱粘面积的变化；
利用所述应变能和所述压力做功计算脱粘界面的结合能；以及利用脱粘面积的变化和所述结合能计算得到界面脱粘的断裂能量释放率。11.根据权利要求10所述的测试方法，其特征在于，所述获取所述试样的形变信息包括：利用双目相机实时获取所述试样上表面的第一图像集和第二图像集；利用所述第一图像集和所述第二图像集重建得到所述试样上表面的曲面数据；以及根据所述曲面数据和所述试样的初始位置数据获得所述试样上表面的全场位移。12.根据权利要求11所述的测试方法，其特征在于，所述根据所述形变信息计算所述试样在所有时刻的鼓起体积包括：其中，V(t)表示所述鼓起体积，W表示离面位移，M和N表示选取的能够包含所有发生了鼓起区域的两个方向的像素数量，i和j是像素坐标，Δx是x方向单个位移矩阵的像素对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚学锋，王国文，阚艳，范鑫，宣善勇，
申请(专利权)人：国营芜湖机械厂，
类型：发明
国别省市：