CN105608240B - 复合材料中的组合载荷 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种用于确定材料失效的方法，该方法包括如下步骤：加工由材料制成的试样(100)；在所述试样上施加第一力(110)和施加第二力(120)，其中所述第二力(F2)不同于所述第一力(F1)；以及表征由于将所述第一力(F1)和所述第二力(F2)施加至所述试样上而产生的材料失效。

Description

复合材料中的组合载荷
技术领域
本发明涉及材料检测和板件设计，并且更具体地涉及通过同时施加组合力以检测和分析用在板件设计中的复合材料。
背景技术
复合板件，诸如能够被用于航空器和其他产品中的5纵梁板件，在项目的研究和开发阶段期间被检测，并且在它们被用于航空器或类似的产品之前在认证过程期间必须被测试。当前，使用三种常见方法之一检测这些5纵梁板件。完整的5纵梁板件的检测、使用计算机仿真建模并分析5纵梁板件或使用单向拉伸或压缩载荷检测较小的样品板件(试样)并且将结果逆推完整的5纵梁板件。然而，这些当前的方法中的每种都具有其自身的缺陷和低效性。
例如，每年会花费数百万美元制造并且检测完整的复合5纵梁板件。虽然在复合结构设计被使用到航空器上之前，检测至少一个5纵梁板件对于认证该复合结构是必要的，但是每个5纵梁板件会花费多达1,200,000美元，并且会耗费6个月来加工和检测。此外，为了获得可以被考虑使用的厚度和层叠的范围内具有统计学意义的数据集，需要对新复合技术进行多个5纵梁板件检测。由于长研制周期和高花费，检测用于5纵梁板件的多种可能设计和/或材料的成本和时间会过高，并且可能导致设计者满足于对于特定设计应用足够好的板件设计，而不是对于特定设计应用最好或最优的板件设计。
此外，当前对5纵梁板件使用计算机建模在项目的研究和开发阶段不能提供要求精度。例如，当前计算机模型不能可靠地预测破坏载荷、失效模式和损伤轨迹。当前计算机模型的可靠性约为70-80％。那既意味着该分析方法不能预测20-30％的时间的结果。因此，这会导致设计变化，进而通过推迟最终设计和载荷6-12个月并且花费更多金钱来制造额外的5纵梁板件用于每次检测，影响项目成本和进度。
最后，在试图降低与新复合材料有关的总成本中，检测试样(即，被用在5纵梁板件中的材料的小部分)已经被利用。不幸地，现存的试样检测方法以单轴方式加载试样，并且不能以表示5纵梁板件情况的方式加载材料。正因如此，当前试样检测方法不能可靠且精确地预测5纵梁复合板件的性能。
因此，需要低成本、快速、精确且可靠的材料检测方法和板件设计方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供用于确定材料失效的方法，该方法包括如下步骤：加工由材料制成的试样；在试样上施加第一力和第二力，其中所述第二力不同于所述第一力；以及表征由于所述第一力和所述第二力的施加而产生的材料失效。
在本发明的另一个实施例中，提供用于设计复合板件的方法，该方法包括如下步骤：对具有第一切口的板件的建模，并且确定靠近所述第一切口的组合应力状态；对试样应力状态建模，以复制所述板件的所述组合应力状态；加工多个试样，每个试样具有第二切口，并且检测所述多个试样以获得多个检测结果；基于所述检测结果建立数据库；基于所述数据库内的多个检测结果加工所述板件；以及检测所述板件。
在各种实施例中可以独立地或可以与其他实施例组合获得已经描述的特征、方法和优点，特征、方法和优点的进一步细节可以参考以下说明书和附图来理解。
附图说明
图1是示例检测试样的俯视平面图；
图2是用于检测一种材料试样的示例方法的流程图；以及
图3是用于设计复合板件的示例方法的流程图。
具体实施方式
在此描述了一种方法，其提供低成本、快速的材料检测，该方法可以被使用，以通过同时施加组合的剪切应力和拉伸应力/压缩应力来更精确且可靠地确定材料(诸如复合层压材料)的强度。由于局部加载模仿5纵梁板件结构的复杂的加载环境，所以该方法允许多纵梁结构的预测。该材料检测方法可以比制造和检测完整的5纵梁板件更快和更便宜。例如，与制造和检测完整的5纵梁板件的700,000美元到1,200,000美元相比，使用该检测方法加工和检测一个试样的成本将大约每个3,000美元到5,000美元。该检测方法也可以提供比单纯计算机建模更精确的结果，并且提供比当前单轴、单一力试样检测更可靠的结果。
参考图1，示例检测试样10由层压复合材料或其他材料的2英尺×2英尺的板件组成，该检测试样可以是平坦的或具有不均匀的厚度。试样10也可以具有形成在试样10中的切口20，该切口可以被用于模拟或模仿对于5纵梁板件潜在的损坏，诸如在航空器中使用的板件的一些检测中需要这些切口。在该示例中示出，切口20是具有圆形端部的长槽，但是可以根据特殊应用或检测的需要或要求为任何形状或大小。
参考图2，使用上述及图1中所示的示例试样10的示例材料检测方法被示出。虽然示例方法使用试样10被描述，但是该方法可以被用于检测期望的任何大小、结构、材料、尺寸等的任何材料。
在步骤100处，检测试样10被加工，如上所述，试样10可以是2英尺×2英尺的层压复合板件，所述检测试样具有形成在试样10中的切口20。
在步骤110处，使用执行器或其他熟知的设备将第一力F1(见图1)施加到该材料。第一力F1可以是拉伸力或压缩力，其决定于正在执行的检测。
在步骤120处，使用执行器或其他熟知的设备将第二力F2(见图1)同时地施加到该材料。第二力F2也可以是拉伸力或压缩力，其决定于正在执行的检测，并且第二力F2不同于第一力F1(例如，大于或小于第一力F1)。例如，在一些检测场景中，第一力F1可以比第二力F2大二倍到十倍。
由两个不同的力在试样10上产生的应力条件包括拉伸/压缩和剪切，类似于在5纵梁板件中经历的情况，并且可以模仿与在5纵梁板件中看见的蒙皮相同的应力状态。
在步骤130处，一旦观察到复合材料失效或材料的结构损坏，则材料失效就被表征。表征材料失效可以包括确定材料失效开始时的载荷、失效方向、失效模式(例如，萌生和增长)、该应力条件的最优层叠(best layups)等。由于试样10不包含任何纵梁、止动件(arrestment)，故大规模损坏增长和纵梁解体行为不能仅通过检测试样10而被确定。
参考图3，使用图2中所示的材料检测方法设计复合板件(诸如，5纵梁板件)的方法被示出。
在步骤200处，使用有限元方法(FEM)或其他熟知的方法对复合板件(诸如5纵梁板件)建模，并且确定靠近板件中切口的组合应力状态。
在步骤210处，使用FEM或其他熟知的方法对检测试样(诸如，上述和图1中示出的试样10)的应力状态建模以复制上面在步骤200中对5纵梁板件建模所确定的应力状态。基于试样模型，确定第一力F1和第二力F2的值。
在步骤220处，检测试样10被加工及检测，如上面步骤100-130中所描述和图2中所示出的。由于试样10的较低的成本和加工时间，所以可以加工和检测20-40个试样。在检测期间，第一力F1和第二力F2可以改变，使用样品试样匹配上面描述的模型中的应力状态。
在步骤230处，包含在步骤220中在试样10的检测中收集的数据的数据库或响应面(response surface)被建立。该数据库/响应面在5纵梁板件的最终设计中可以被分析工具和优化器使用。
在步骤240处，5纵梁板件基于包含在步骤230中建立的数据库中的数据被加工。使用该方法，只有一个5纵梁板件必须被加工，就能验证/核实该分析以及认证该设计，而不用加工多个5纵梁板件试图分析各种设计和/或优化设计。
在步骤250处，使用熟知的检测技术检测和验证在步骤240中加工的5纵梁板件。即使需要被加工和检测的5纵梁板件的数量已经减少，它们也不能被省略。在大部分工业中，诸如航空器工业，为了认证的目的，至少一个5纵梁板件仍将不得不被加工和检测。
上面描述的和图3中示出的方法可以减少需要的5纵梁板件的数量，以获得项目的成功、加速研究和开发、降低研究和开发成本、降低与新材料技术有关的认证成本，并且该方法可以在不需要建立一些实验和错误的5纵梁板件的情况下，通过填补在当前方法、工具和数据内已知的空白，提供更可靠的分析能力。
而且，根据如下条款，本公开包括说明性的、非详尽的示例，这些示例可以被或不被声明：
条款1.一种用于确定材料失效的方法，所述方法包括如下步骤：
加工由材料制成的试样(100)；
在所述试样(100)上施加第一力(110)；
在所述试样(100)上施加第二力(120)，其中所述第二力(F2)不同于所述第一力(F1)；以及
表征由于所述第一力(F1)和所述第二力(F2)的施加而产生的材料失效(130)。
条款2.根据条款1所述的方法，其中所述试样(100)是二英尺乘二英尺的板件。
条款3.根据条款1所述的方法，其中所述材料是层压复合材料。
条款4.根据条款1所述的方法，其中所述试样包括切口(20)。
条款5.根据条款4所述的方法，其中所述切口(20)是长槽。
条款6.根据条款1所述的方法，其中所述第一力(F1)和第二力(F2)是拉伸力。
条款7.根据条款1所述的方法，其中所述第一力(F1)和第二力(F2)是压缩力。
条款8.根据条款1所述的方法，其中所述第一力(F1)是拉伸力，而所述第二力(F2)是压缩力。
条款9.根据条款1所述的方法，其中所述第一力(F1)比所述第二力(F2)大二倍到十倍。
条款10.根据条款1所述的方法，其中表征所述材料失效包括确定在材料失效开始时的载荷、失效方向和失效模式中的至少一个。
条款11.一种用于设计复合板件的方法，所述方法包括如下步骤：
对所述板件建模(200)，所述板件具有第一切口，并且确定靠近所述第一切口的组合应力状态；
对试样应力状态建模(210)，以复制所述板件的所述组合应力状态；
加工多个试样，所述多个试样中的每个试样包括第二切口；
检测所述多个试样并且获得多个检测结果；
基于所述检测结果建立数据库(230)；
基于所述数据库内的所述多个检测结果加工所述板件(240)；以及
检测所述板件(250)。
条款12.根据条款11所述的方法，其中使用有限元方法对所述板件建模。
条款13.根据条款11所述的方法，其中使用有限元方法对所述试样应力状态建模。
条款14.根据条款11所述的方法，其中所述多个试样是由层压复合材料制成的二英尺乘二英尺的板件。
条款15.根据条款11所述的方法，其中所述第二切口包括长槽。
条款16.根据条款11所述的方法，其中对所述试样应力状态建模包括确定用于检测的第一力(F1)和第二力(F2)，其中所述第二力(F2)不同于所述第一力(F1)。
条款17.根据条款16所述的方法，其中检测所述多个试样包括如下步骤：
在所述多个试样中的一个上施加所述第一力；
在所述多个试样中的所述一个上施加所述第二力；以及
表征由于所述第一力(F1)和所述第二力(F2)的施加而产生的材料失效。
条款18.根据条款17所述的方法，其中所述第一力(F1)和所述第二力(F2)是拉伸力。
条款19.根据条款17所述的方法，其中所述第一力(F1)和所述第二力(F2)是压缩力。
条款20.根据条款17所述的方法，其中表征所述材料失效包括确定在材料失效开始时的载荷、失效方向和失效模式中的至少一个。
虽然各种实施例在上面已经被描述，但是本发明不意在限制于这些实施例。仍可以在附属的权利要求的范围内对本公开的实施例进行变型。

Claims (13)

1.一种用于确定材料失效的方法，所述方法包括如下步骤：
加工由层压复合材料制成并且包含切口的试样；
在所述试样上施加一对相对的第一力，所述一对相对的第一力在所述试样上提供拉伸应力或压缩应力中的一个；
在所述试样上施加一对相对的第二力，所述一对相对的第二力在所述试样上提供拉伸应力或压缩应力中的一个，其中所述一对相对的第二力大于或小于所述一对相对的第一力，所述第一力施加在沿所述试样的平面的第一方向上，而所述第二力施加在沿所述试样的所述平面的平行于所述第一方向的第二方向上；以及
表征由于所述第一力和所述第二力的施加而产生的材料失效。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述试样是由层压复合材料制成的二英尺乘二英尺的板件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述切口优选地是长槽。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一力和所述第二力提供拉伸应力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一力和所述第二力提供压缩应力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一力提供拉伸应力，而所述第二力提供压缩应力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中表征所述材料失效包括确定在材料失效开始时的载荷、失效方向和失效模式中的至少一个。
8.一种用于设计复合板件的方法，所述方法包括如下步骤：
对所述复合材料板件建模，所述复合材料板件具有第一切口，并且确定靠近所述第一切口的组合应力状态；
对试样应力状态建模，以复制所述复合材料板件的所述组合应力状态；
加工多个试样，所述多个试样中的每个试样由层压复合材料制成并且包括第二切口；
检测所述多个试样并且获得多个检测结果，其中测试所述多个试样包括以下步骤：
确定用于测试的一对相对的第一力和一对相对的第二力，其中所述第二力大于或小于所述第一力；
在沿所述试样的平面的第一方向上在所述多个试样中的一个试样上施加所述第一力，所述第一力向所述试样提供拉伸应力或压缩应力中的一个；
在沿所述试样的所述平面的平行于所述第一方向的第二方向上在所述多个试样中的一个试样上施加所述第二力，所述第二力向所述试样提供拉伸应力或压缩应力中的一个；以及
表征由于所述第一力和所述第二力的施加而产生的材料失效；
基于所述检测结果建立数据库；
基于所述数据库内的所述多个检测结果加工所述板件；以及
检测所述板件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使用有限元方法对所述板件和所述试样应力状态建模。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个试样是由层压复合材料制成的二英尺乘二英尺的板件。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一力和所述第二力提供拉伸应力。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一力和所述第二力提供压缩应力。
13.根据权利要求8所述的方法，其中表征所述材料失效包括确定在材料失效开始时的载荷、失效方向和失效模式中的至少一个。
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