CN103954505B - 复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，步骤为：首先，制作不少于5个的复合材料层板的标准试件；然后，将复合材料层板标准件依次放置到压缩试验夹具上进行压缩试验，得到复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线；最后，基于聚合物粘弹性理论中的四单元模型结合测得的复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线确定其厚度方向的非线性本构关系并计算复合材料层板厚度方向的弹性、粘弹性和塑性。本发明解决了复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试的问题，通过合理设计复合材料层板力学压缩试验的夹具和加载方式，测试复合材料层板的压缩力与形变曲线，并根据该曲线计算出复合材料层板厚度方向弹性、粘弹性和塑性等力学性能。

Description

复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料层板厚度方向非线性本构关系的测试方法，尤其涉及一种适用于纤维增强复合材料层板厚度方向的非线性本构关系的测试方法。

背景技术

复合材料具有质量轻、刚度强度大和耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于航空、航天和建筑领域。但是复合材料力学性能具有一定的方向性，非承力方向的力学性能一般较差。虽然非承力方向的力学性能能够满足复合材料长期服役的使用要求，但是长期环境作用下，其力学性能将会发生改变，影响复合材料的正常服役。

例如工程应用中经常采用的搭接式复合材料连接结构，复合材料搭接板厚度方向的力学性能较差，但却承受螺栓预紧力的作用。因为螺栓数量有限且复合材料搭接板承受预紧力的面积较小，预紧力对整个复合材料连接结构的影响可以忽略，不影响其正常服役。但是与金属连接结构不同，复合材料搭接板的粘弹性远远大于金属螺栓的粘弹性，长期预紧力作用下会发生应力松弛，导致复合材料搭接板的刚度强度降低，这时复合材料连接结构的正常工作状态不可避免的将受到影响。

目前与复合材料相关的研究主要集中于其承力方向的力学性能研究，研究厚度方向粘弹性的方法有限。本发明旨在提供一种测试复合材料层板厚度方向非线性本构关系的方法，确定复合材料层板厚度方向的弹性、粘弹性和塑性，为相关的科研工作提供测量依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料厚度方向非线性本构关系的测试方法，通过合理设计复合材料层板力学压缩试验的夹具（图4）和加载方式（图5），测试复合材料层板的压缩力与形变曲线（图2），并根据该曲线计算出复合材料层板厚度方向弹性、粘弹性和塑性等力学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，包括如下步骤：

首先，制作不少于5个的复合材料层板的标准试件，标准试件可以采用圆形或者正方形。标准试件厚度H应根据实际情况确定，并建议不小于3mm。若采用圆形试件，试件直径尺寸采用5-10mm；若采用正方形试件，试件边长采用5-10mm。标准试件的铺层建议根据实际情况确定，当无法根据实际情况确定铺层时，建议采用0°/90°的正交对称铺层。

然后，将复合材料层板标准件依次放置到压缩试验夹具上进行压缩试验，具体加载方式如图5所示，分为四个阶段：第一阶段OA段为均匀加载阶段，第二阶段AB段为保持荷载稳定阶段，第三阶段BC段为均匀卸载阶段，第四阶段CD段为保持零荷载阶段。通过试验测得得到复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线（图2）。所述压缩试验采用荷载控制的加载方式：第一阶段在T1时间内均匀加载到荷载P，并记录此时复合材料层板的压缩形变D1，建议T1=1min，荷载P以及每秒加载的荷载值应根据实际情况确定；第二阶段在T2时间内保持荷载P不变，并记录此时复合材料层板压缩形变D2，建议T2=30min，并保证T2/T1≥20；第三阶段在T3时间内均匀卸载到荷载为0，记录此时的复合材料层板形变D3，建议T3=1min，并保证T2/T3≥20；第四阶段观测复合材料层板的形变在1min内不发生较大变化时，即可认为弹塑性形变已经恢复可以停止测量，记录经历的时间T4和此时的形变D4。

最后，基于聚合物粘弹性理论中的四单元模型结合测得的复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线（图2）确定其厚度方向的非线性本构关系并计算复合材料层板厚度方向的弹性、粘弹性和塑性。

本发明的工作原理：

复合材料包括基体材料和纤维材料，在承力方向上纤维材料是复合材料的承力材料，起主导作用。但是在厚度方向上，复合材料力学性能主要表现为基体材料的力学性能。复合材料的基体材料一般属于聚合物，其力学性能主要包括弹性、粘弹性和塑性。聚合物粘弹性理论中的四单元模型能很好的模拟聚合物的力学性能，因此可以基于聚合物的粘弹性理论中的四单元模型设计试验用的夹具和加载方式测试复合材料层板厚度方向的力学性能。

本发明解决了复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试的问题，通过合理设计复合材料层板力学压缩试验的夹具（图4）和加载方式（图5），测试复合材料层板的压缩力与形变曲线（图2），并根据该曲线计算出复合材料层板厚度方向弹性、粘弹性和塑性等力学性能。本发明尤其适用于纤维增强复合材料层板厚度方向的非线性本构关系的测试。

附图说明

图1为复合材料层板厚度方向力学性能测试示意图；

图2为复合材料层板压缩荷载下的变形与时间关系曲线图；

图3为描述聚合物粘弹性的四单元模型；

图4为压缩试验用的夹具；

图5为复合材料层板压缩试验的加载方式示意图；

图中，1-压缩试验夹具，2-复合材料层板标准试件，3-夹具工作面，4-夹具传力杆，5-夹具插稍孔，6-夹具安装头，7-夹具工作头。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式提供了一种复合材料层板厚度方向力学性能测试方法，需要的工具、试件和仪器包括力学压缩试验机、压缩试验夹具和不少于5个的复合材料层板标准试件。该方法能测试复合材料层板厚度方向弹性、粘弹性和塑性等力学性能，其具体步骤如下：

首先，制作5个复合材料层板标准试件，合理的设计压缩试验用的夹具和加载方式。

然后，压缩试验机换装压缩试验夹具，将复合材料层板标准件依次放置到夹具上进行压缩试验（图1）。压缩试验采用荷载控制的加载方式，加载方式由均匀加载、保持荷载稳定、均匀卸载和保持零荷载（图5）四个阶段组成，即：第一阶段在T1时间内均匀加载到荷载P，并记录此时复合材料层板的压缩形变D1；建议T1=1min，荷载P以及每秒加载的荷载值应根据实际情况确定。第二阶段T2时间内保持荷载P不变，并记录此时复合材料层板压缩形变D2；建议T2=30min，并保证T2/T1≥20。第三阶段在T3时间内均匀卸载到荷载为0，记录此时的复合材料层板形变D3，建议T3=1min，并保证T2/T3≥20。第四阶段观测复合材料层板的形变在1min内不发生较大变化时，记录经历的T4和此时的形变D4。最后的测得的复合材料层板压缩状态下的变形与时间关系曲线轮廓如图2所示。

最后，基于聚合物粘弹性理论中的四单元模型（图3）结合试验测得的复合材料层板在压缩荷载作用下厚度方向的形变与时间关系曲线（图2）确定其厚度方向的非线性本构关系并计算复合材料厚度方向弹性、粘弹性和塑性的力学性能。假定标准试件的面积为S，则：

复合材料层板厚度方向的弹性：E=P*H/(S*D1)；

复合材料层板厚度方向的塑性：η=P*T2*H/(S*D4)；

复合材料层板厚度方向的粘弹性可以用E2、η2表征，在测得复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线的条件下，取T2/2时间内的复合材料层板形变D5，此时塑性引起的形变为D4/2。则有：

（D2-D1-D4）/H=P*S*{1-exp(-T2*E2/η2)}/E2；

（D5-D1-D4/2）/H=P*S*{1-exp[(-T2*E2/2)/η2]}/E2；

两式联立即可解出E2、η2，得到复合材料层板厚度方向的粘弹性。

本实施方式中，被测量的复合材料层板应为纤维增强复合材料，其力学性能具有一定的方向性，且厚度方向力学性能较差。

本实施方式中，力学压缩试验机应能够控制加载方式，保证施加荷载的方式符合复合材料层板厚度方向力学性能测试方法的要求。

本实施方式中，使用的压缩试验夹具应选择足够的刚度强度的材料制作并保证夹具工作面的光滑平整。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述的被测量的复合材料层板标注试件不少于5个，其厚度应根据实际情况确定，并建议不小于3mm。建议采用正方形或者圆形试件，边长或者直径建议为5-10mm。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，如图4所示，使用的压缩试验夹具从上至下主要由夹具安装头6、夹具传力杆4和夹具工作头7三部分组成。夹具安装头6上有两个夹具插稍孔5，夹具插稍孔5正交布置一边调整挤压头的安装方向，力学压缩试验机上的插稍可以通过贯通夹具插稍孔5将该压缩夹具固定在试验机上，夹具工作头7的挤压复合材料层板标准试件的夹具工作面3应保证光滑平整。压缩夹具的尺寸设计应根据实际情况确定。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二、三不同的是，第一阶段在T1时间内均匀加载到荷载P，并记录此时复合材料层板的压缩形变D1；T1=2min，荷载P以及每秒加载的荷载值应根据实际情况确定。第二阶段T2时间内保持荷载P不变，并记录此时复合材料层板压缩形变D2；T2=40min，并保证T2/T1≥20。第三阶段在T3时间内均匀卸载到荷载为0，记录此时的复合材料层板形变D3，建议T3=2min，并保证T2/T3≥20。第四阶段观测复合材料层板的形变在1min内不发生较大变化时，记录经历的T4和此时的形变D4。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述方法步骤如下：

首先，制作复合材料层板的标准试件；

然后，将复合材料层板标准件依次放置到压缩试验夹具上进行压缩试验，所述压缩试验采用荷载控制的加载方式，加载方式分为四个阶段：第一阶段在T1时间内均匀加载到荷载P，并记录此时复合材料层板的压缩形变D1；第二阶段在T2时间内保持荷载P不变，并记录此时复合材料层板压缩形变D2；第三阶段在T3时间内均匀卸载到荷载为0，记录此时的复合材料层板形变D3；第四阶段观测复合材料层板的弹塑性形变已经恢复时，记录经历的时间T4和此时的形变D4，通过测试得到复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线；

最后，基于聚合物粘弹性理论中的四单元模型结合测得的复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线确定其厚度方向的非线性本构关系并计算复合材料层板厚度方向的弹性、粘弹性和塑性，所述复合材料层板厚度方向的弹性、粘弹性和塑性的计算方法为：

假定标准试件的面积为S，标准试件的厚度为H，则：

复合材料层板厚度方向的弹性：E=P*H/(S*D1)；

复合材料层板厚度方向的塑性：η=P*T2*H/(S*D4)；

复合材料层板厚度方向的粘弹性用E2、η2表征，在测得复合材料层板在压缩荷载作用下形变与时间曲线的条件下，取T2/2时间内的复合材料层板形变D5，此时塑性引起的形变为D4/2，则有：

（D2-D1-D4）/H=P*S*{1-exp(-T2*E2/η2)}/E2；

（D5-D1-D4/2）/H=P*S*{1-exp[(-T2*E2/2)/η2]}/E2；

两式联立即可解出E2、η2，得到复合材料层板厚度方向的粘弹性。

2.根据权利要求1所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述标准试件的个数不少于5个。

3.根据权利要求1或2所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述标准试件采用圆形或者正方形，试件的直径或边长为5-10mm。

4.根据权利要求1或2所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述标准试件的厚度不小于3mm。

5.根据权利要求1所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述T1=1min或2min。

6.根据权利要求1所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述T2=30min或40min。

7.根据权利要求1所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述T3=1min或2min。

8.根据权利要求1、5或6所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述T2/T1≥20。

9.根据权利要求1、6或7所述的复合材料层板厚度方向非线性本构关系测试方法，其特征在于所述T2/T3≥20。