CN105181480A - 一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，属于航空结构力学领域。利用多点弯曲特别是五点弯曲这一简便的试验方法形成的既有存剪状态又有耦合状态的在一个试验件上形成的多种应力场分布，同时利用参数反演方法根据有限元模型结果进行优化反演计算可以一次得到多个面外刚度数据。本发明提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法测量结果准确度高，消除了各刚度之间的耦合效应。采用本发明提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法所得到的复合材料面外刚度数据结果用于有限元分析精度高，试验件制备简单，试验方法简便，提高了数据的精度，缩短了设计周期。

Description

一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法

技术领域

本发明涉及航空结构力学技术领域，具体而言，涉及一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法。

背景技术

材料刚度是材料受外力作用时抵抗变形的能力，一般用弹性模量表示。复合材料是各向异性材料，不同材料方向上的刚度各不相同。根据复合材料力学理论，用工程弹性常数表示的柔度矩阵表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{11}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{22}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{33}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{12}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{13}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{23}}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{1/E}}_1& -{\mathrm{\ν}}_{21}/E_2& -{\mathrm{\ν}}_{31}/E_3& 0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ν}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{/E}}_1& 1/E_2& -{\mathrm{\ν}}_{32}/E_3& 0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ν}}_{13}/E_1& -{\mathrm{\ν}}_{23}/E_2& 1/E_3& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1/G_{12}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1/G_{13}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1/G_{23}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{11}\\ {\mathrm{\σ}}_{22}\\ {\mathrm{\σ}}_{33}\\ {\mathrm{\σ}}_{12}\\ {\mathrm{\σ}}_{13}\\ {\mathrm{\σ}}_{23}\end{array}\right\}.$

用9个独立弹性常数可以表征材料属性，即三个材料主方向上的弹性模量E1，E2，E3，三个泊松比γ12，γ13，γ23，三个平面内的剪切弹性模量G12，G13，G23。其中把3方向的弹性模量E3和G13、G23平面内的剪切弹性模量G13、G23称为面外刚度。在进行厚板和编织类的复合材料性能评估时需要使用准确的面外刚度数据进行基于三维的强度分析和失效分析。

现有的复合材料面外刚度(E3，G23，G13)测量方法仅仅针对单独项目，而且很难实现单独应力场，试验件制备复杂，要求高。具体存在的问题包括：面外拉压模量E3的测量目前还没有正式的标准，测量的方法和测量试验件尺寸尚在进一步研究中；面外剪切模量G23，G13虽然有ASTM正式标准，但测试方法不能实现纯剪力场，有其它载荷耦合的影响。试验件制备复杂，往往容易受试验件加工质量影响引起非正常破坏。目前五点弯曲方法有用来进行面内剪切模量G12的测量的专利，还没有进行复合材料面外刚度测量的研究和专利的公开。

现在亟需解决的技术问题是如何设计一种复合材料面外刚度的测量方法，该测量方法能够消除各刚度耦合效应，解决现有技术中在测量复合材料面外刚度中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种能够消除各刚度耦合效应、一次性可得到多个复合材料面外刚度数据的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，包括如下步骤：

S1：实验准备，选用一般的万能材料试验机作为试验机，制作复合材料试验件，确定对试验件进行弯曲的点数并准备试验夹具；

S2：按照S1中选定的多点弯曲方法进行试验和测量并得出相应的数据；

S3：对S2中得到的数据进行参数反演，得出复合材料面外刚度。

上述方案中优选的是，S1中选取的试验机的最小的工作载荷为100KN。将试验机的工作载荷设定较大的数量级，保障测量条件能够满足多种测量需求，以适应较大范围数量级的测量。

上述任一方案中优选的是，S1中制作的复合材料试验件为规则的长方体结构，并以试验件的长、宽、高建立坐标系，定义：对试验件进行弯曲的点数为N。

上述任一方案中优选的是，定义：S1中试验件的长度取值为L，其中，L＝45*(N-2)。

上述任一方案中优选的是，S2中在试验机上居中放置试验件，确定以试验件的高度方向为试验机加载方向，调整每组加载点和支持点之间的距离，对试验件施加压缩载荷，对试验件每个加载点截面上沿试验件高度方向设置测量点，测量点的数量大于等于三个。

上述任一方案中优选的是，通过数据处理软件进行参数反演计算。

上述任一方案中优选的是，通过载荷及对应测量的点的位移，计算得出对应的应变下面外刚度数据。

上述任一方案中优选的是，通过多个载荷和对应测量的的位移数据可得出应变-模量曲线。

本发明所提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法的有益效果在于，测量结果准确度高，消除了各刚度之间的耦合效应。采用本发明提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法所得到的复合材料面外刚度数据结果用于有限元分析精度高，试验件制备简单，试验方法简便。

附图说明

图1是按照本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法的优选实施例流程示意图；

图2是按照本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法的图1所示实施例的选用的试验件的示意图；

图3是按照本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法的图1所示实施例S3的流程示意图；

图4是是按照本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法的图1所示实施例迭代过程曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解按照本发明方案的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，下面结合附图对本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法的一优选实施例作进一步阐述说明。

结合图1-图4，本发明提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法包括如下步骤：

S1：实验准备，选用一般的万能材料试验机作为试验机，制作复合材料试验件，确定对试验件进行弯曲的点数并准备试验夹具；

S2：按照S1中选定的多点弯曲方法进行试验和测量并得出相应的数据；

S3：对S2中得到的数据进行参数反演，得出复合材料面外刚度。

S1中选取的试验机的最小的工作载荷为100KN。S1中制作的复合材料试验件为规则的长方体结构，并以试验件的长、宽、高建立坐标系，定义：对试验件进行弯曲的点数为N。定义：S1中试验件的长度取值为L，其中，L＝45*(N-2)。

S2中在试验机上居中放置试验件，确定以试验件的高度方向为试验机加载方向，调整每组加载点和支持点之间的距离，对试验件施加压缩载荷，对试验件每个加载点截面上沿试验件高度方向设置测量点，测量点的数量大于等于三个。

本发明提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法在S2步骤中通过试验获得实验数据，测得的数据通过数据处理软件进行参数反演计算。反演计算过程是通过特定编制的软件进行的，通过载荷及对应测量的点的位移，计算得出对应的应变下面外刚度数据。不仅如此，使用同样的特定编制的软件通过多个载荷和对应测量的的位移数据可得出应变-模量曲线。采用特定编制的软件进行反演计算的流程如图1所示。

本发明提供的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法可作为：复合材料面外刚度测量的试验方法；复合材料有限元三维计算所需刚度数据输入；随炉试验件性能测量的试验方法。

在具体的使用过程中，用五点弯曲方法测量复合材料(材料牌号：5228A/CCF300)的面外刚度E3，G13，G23，选用100KN万能材料试验机作为试验机。制备试验件，5228A/CCF300材料单层厚度0.125mm，试验件铺层[0]₁₂₀,厚度15mm，宽度40mm，长度135mm。准备五点弯曲夹具。选择五点弯曲是因为五点弯曲可以在试验件上形成两个纯剪切面，该面弯矩为零，有利于试验数据的处理。

进行试验过程中，以试验件的长、宽、高建立坐标系，对应的坐标轴分别为X、Y、Z，试验载荷为0-10KN，加载过程中使用DIC测量设备测量如图2标注的A1、A2、A3、B1、B2、B3共计6个点的位移。选取任意载荷下的位移测量数据，如8KN时的位移如下表。

将试验数据输入数据处理软件，使用参数反演方法进行面外刚度计算，面外刚度初值可任意设置，本实施例中将面外刚度例设为[E3＝15000MPa,G13＝9000MPa,G23＝6000MPa]作为初值。计算迭代过程见下表，所生成的迭代过程曲线如图3所示。

	E3	G13	G23
				1	1.50E+04	9.00E+03	6.00E+03
2	8.75E+03	5.36E+03	3.92E+03
				3	9.61E+03	5.96E+03	3.06E+03
4	9.651E+03	6.02E+03	3.098E+03
				5	9.651E+03	6.02E+03	3.098E+03

最终测量并计算得到的面外刚度为E3＝9651MPa,G13＝6002MPa,G23＝3098MPa。

以上结合本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改均属于本发明的技术范围，还需要说明的是，按照本发明的多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法技术方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。

Claims (8)

1.一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：实验准备，选用一般的万能材料试验机作为试验机，制作复合材料试验件，确定对试验件进行弯曲的点数并准备试验夹具；

S2：按照S1中选定的多点弯曲方法进行试验和测量并得出相应的数据；

S3：对S2中得到的数据进行参数反演，得出复合材料面外刚度。

2.根据权利要求1所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，S1中选取的试验机的最小的工作载荷为100KN。

3.根据权利要求1所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，S1中制作的复合材料试验件为规则的长方体结构，并以试验件的长、宽、高建立坐标系，定义：对试验件进行弯曲的点数为N。

4.根据权利要求3所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，定义：S1中试验件的长度取值为L，其中，L＝45*(N-2)。

5.根据权利要求1所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，S2中在试验机上居中放置试验件，确定以试验件的高度方向为试验机加载方向，调整每组加载点和支持点之间的距离，对试验件施加压缩载荷，对试验件每个加载点截面上沿试验件高度方向设置测量点，测量点的数量大于等于三个。

6.根据权利要求1所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，通过数据处理软件进行参数反演计算。

7.根据权利要求1所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，通过载荷及对应测量的点的位移，计算得出对应的应变下面外刚度数据。

8.根据权利要求1所述的一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法，其特征在于，通过多个载荷和对应测量的位移数据得出应变-模量曲线。