CN105784501B - 一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法，通过以下步骤来实现的。步骤一、基于时间‑温度等效原理对复合芯导线的蠕变试验数据进行移位处理，得到相应的时间‑温度移位因子。步骤二、基于时间‑应力等效原理对步骤一处理得到的试验结果进行移位处理，得到相应的时间‑应力移位因子。步骤三、利用时间‑温度‑应力等效原理对碳纤维复合芯导线进行评估。步骤四、利用改进的范德利(Findley)模型对上述处理得到的蠕变应变主曲线进行拟合。本发明统筹考虑了新型碳纤维复合芯导线在实际使用过程中，温度和应力对导线蠕变行为的影响，可以很好地应用于新型碳纤维复合芯导线的寿命预测。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法。属于可靠性工程和寿命评估领域。
【背景技术】
碳纤维复合芯导线(ACCC)是由高导电软铝线绞制在碳纤维复合芯上制成，该新型导线具有高强、轻质和低垂度等显著特点，是一种节能、环保型导线，在高压架空导线上有广泛应用前景。其中，碳纤维复合芯是该导线的关键承载部件，尽管碳纤维复合芯在短期机械性能和热性能方面优势显著，但在实际运行中会受到湿热等环境因素影响，导线自重与风振也会对复合芯产生一定的载荷作用，长期高温高载下复合芯必定产生蠕变行为。
蠕变是树脂基复合材料的一种宏观变形，由基体材料的黏弹性流动引起，其蠕变现象和机理很复杂。时间-温度-应力等效原理是连接黏弹性和性能评估之间的一座重要桥梁，被广泛运用于高聚物中。时间-温度-应力等效原理指出，高聚物的同一个力学松弛现象，既可以在较高温度下较短时间内观察到，也可以在较低温度下较长时间内观察到。
基于上述缺点，本发明首先利用疲劳试验机对复合芯棒进行了加速蠕变测试，得到不同温度(T0、T1、T2)及不同应力(σ0、σ1、σ2)作用下的碳纤维棒材的蠕变应变曲线，然后利用时间-温度-应力等效原理，建立了一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法，来解决上述问题。
【发明内容】
1.目的：本发明的目的是提供一种应用于碳纤维复合芯导线的老化寿命的评估方法，以预测此种导线的使用寿命。
2.技术方案：本发明一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法，通过以下步骤来实现的。
步骤一、基于时间-温度等效原理对复合芯导线的蠕变试验数据进行移位处理，得到相应的时间-温度移位因子。本文中用到的碳纤维复合芯材料属于黏弹性材料，对于黏弹性材料来说，升高温度与延长时间对材料的蠕变行为的影响相当，即改变温度尺度和改变时间尺度是等效的，称之为时间-温度等效原理。这种等效性可以通过对数坐标轴的平移来实现。如图1所示。
本文选取了三种试验应力水平和三种试验温度水平。对于试验应力水平的选择，由于碳纤维复合芯强度为2000MPa，应力水平分别取强度值的25％(即正常使用应力)，50％和90％，即σ0＝500MPa，σ1＝1000MPa，σ2＝1800MPa；对于试验温度水平的选取，据研究表明，时间-温度等效原理在材料接近玻璃态温度(碳纤维复合芯的玻璃态温度Tg＝161.5℃)时能得到更精确的结果，故选取的试验温度水平为接近玻璃态温度的两种温度水平和使用温度水平，即T0＝25℃，T1＝140℃，T2＝160℃。
在三种应力水平(σ＝σ0、σ1、σ2)下，分别取T0为参考温度状态，将T1、T2温度下的蠕变应变-对数时间曲线向参考曲线移位，利用MathCAD程序计算移位曲线与参考曲线之间的最佳移位距离，计算结果就是相应的恒应力对数时间-温度移位因子(σ＝σ0、σ1、σ2，T＝T1、T2)。
步骤二、基于时间-应力等效原理对步骤一处理得到的试验结果进行移位处理，得到相应的时间-应力移位因子。与时间-温度等效原理类似，对于黏弹性材料来说，提高作用与材料的应力水平与延长时间对材料的蠕变行为的影响相当，即改变应力尺度和改变时间尺度是等效的，称之为时间-应力等效原理。
利用时间-应力等效原理处理步骤一中得到的σ0，σ1，和σ2应力状态下的三条曲线。以σ0为参考应力状态，将σ1和σ2应力下的蠕变应变-对数时间曲线向参考曲线移位，并得到相应的对数时间-应力移位因子logφσ(σ＝σ1、σ2)。
步骤三、时间-温度-应力等效原理认为，温度和应力对高聚物等黏弹性材料的时间相关的力学性能的影响等同于对时间标度的变长或缩短，因此时间-温度-应力等效原理可作为一种对材料长期力学性能进行加速评估的分析方法和手段。
设存在温度-应力联合移位因子φTσ使得
η(T,σ)＝η(T0,σ0)φTσ (1)
则由黏弹性材料的黏度η与其自由体积分数f0之间满足杜利特尔(Doolittle)方程，有
φTσ为温度-应力联合移位因子，B为杜利特尔常数，αT是自由体积分数的温度膨胀系数，ασ是自由体积分数的应力膨胀系数；令C1＝B/(2.303f0)，C2＝f0/αT，C3＝f0/ασ。
设存在恒温时间-应力移位因子和恒应力时间-温度移位因子使得
则
(为恒温时间-应力移位因子，为恒应力时间-温度移位因子)
由公式(5)和公式(6)，有如下关系存在
基于时间-温度-应力等效原理和公式(4)-(6)，利用步骤一得到的恒应力对数时间-温度移位因子和步骤二得到的对数时间-应力移位因子，求得T0、σ0参考条件下的温度-应力联合移位因子，并对公式(4)和公式(5)中的参数(C1、C2、C3)进行拟合，同时得到参考条件下的蠕变应变主曲线。
步骤四、利用改进的范德利(Findley)模型对上述处理得到的蠕变应变主曲线进行拟合。改进的范德利模型为：
该模型给出了碳纤维复合芯的蠕变应变ε随时间t变化的关系。其中，a1为碳纤维复合芯的初始弹性应变，a2为与应力和温度有关的系数，a3为与应力无关而与温度有关的材料常数，a4为与应力有关的系数。
利用范德利模型对参考条件下的蠕变应变主曲线进行拟合，得到范德利模型中的参数(a1、a2、a3、a4)。根据试验测试结果，碳纤维复合芯在蠕变应变发展到20000微应变(με)，将会发生蠕变断裂。设定临界值，计算复合芯导线达到临界值的使用寿命，并预测其不同使用条件下的寿命。
3.优点和功效：
本发明统筹考虑了新型碳纤维复合芯导线在实际使用过程中，温度和应力对导线蠕变行为的影响。利用时间-温度-应力等效原理，通过测量不同温度及不同应力条件下的蠕变行为，对复合芯导线正常工况条件下的蠕变情况进行分析，并进一步对使用寿命进行评估。研究表明，该方法可以很好地应用于新型碳纤维复合芯导线的寿命预测。
【附图说明】
图1为时间-温度移位示意图。
图2为不同试验条件下的蠕变应变曲线。
图3(a)为复合芯棒材在不同温度下的蠕变应变曲线。
图3(b)为复合芯棒材在Tref＝25℃时的蠕变应变叠加曲线。
图4(a)为复合芯棒材在不同应力下的蠕变应变曲线。
图4(b)为复合芯棒材在σref＝500MPa时的蠕变应变叠加曲线。
图5为碳纤维复合芯棒的蠕变应变主曲线。
【具体实施方式】
通过测量不同温度及不同应力作用下的碳纤维复合芯材料的蠕变行为，对正常工况条件下的材料蠕变进行预测。利用疲劳试验机对复合芯棒进行了加速蠕变测试，根据材料性能及试验条件，蠕变试验温度设置为T0＝25℃、T1＝140℃和T2＝160℃；由于碳纤维复合芯强度为2000MPa，蠕变应力水平分别取强度值的25％，50％和90％，即应力取σ2＝1800MPa，σ1＝1000MPa和σ0＝500Mpa。其中T0温度和σ0为正常使用工况。基于等效原理，得到相应的时间-温度移位因子、时间-应力移位因子和温度-应力联合移位因子，得到工程关注工况下的蠕变曲线，并对碳纤维复合芯的长期蠕变性能和老化寿命进行评估。研究表明，该方法可以很好地应用于碳纤维复合芯导线的寿命评估。
本发明涉及应一种用于碳纤维复合芯导线老化寿命评估的方法，以预测此种导线的使用寿命，具体实施步骤如下：
步骤一、基于时间-温度等效原理对试验数据(图2所示)进行移位处理并得到相应的时间-温度移位因子。根据时间-温度等效原理，温度的增加相当于时间标尺的缩短。这种等效性可以通过对数坐标轴的平移来实现。取25℃为参考温度状态，将其它温度下的蠕变应变-对数时间曲线向参考曲线移位，移位的距离就是相应的恒应力对数时间-温度移位因子所得移位前后蠕变应变-对数时间曲线如图3(a)和图3(b)所示，计算结果见表一。
表一 不同应力下的对数时间-温度移位因子
步骤二、基于时间-应力等效原理对步骤一处理得到的结果进行移位处理，得到相应的时间-应力移位因子。根据时间-应力等效原理，黏弹性材料在较低应力下的长期性能可以由较高应力下的短期试验结果通过时间-应力移位因子变换得到。以500MPa为参考应力状态，利用时间-应力等效原理处理上一步中得到的500MPa,1000MPa和1800MPa下的三条曲线，并得到相应的对数时间-应力移位因子。如图4(a)和图4(b)分别为移位前后的蠕变应变-对数时间曲线，计算结果见表二。
表二 参考温度下对数时间-应力移位因子
步骤三、基于时间-温度-应力等效原理和上述两步得到的时间-温度和时间-应力移位因子对公式(4)和公式(5)参数进行拟合。由公式(6)求得25℃、500MPa参考条件下的温度-应力联合移位因子及公式(4)和公式(5)中各项参数，并得到参考条件下的蠕变应变主曲线。由表一、表二结果，可以得到25℃、500MPa参考条件下的对数温度-应力联合移位因子，如表三所示。所得参考条件下的蠕变应变主曲线如图5所示。
表三 对数温度-应力联合移位因子
步骤四、利用改进的范德利模型对上述结果进行拟合。利用公式(7)对参考条件下的蠕变应变主曲线进行拟合，得到模型参数如下：
根据试验测试结果，碳纤维复合芯在蠕变应变发展到20000με左右，将会发生断裂。由式(7)的蠕变应变主曲线方程，可知当材料的蠕变应变达到20000με时，需要约175年(5.5E9s)的时间。
根据工程实际情况，需要综合考虑安全系数。碳纤维复合芯导线使用的安全系数为1.5，可知碳纤维复合芯在500MPa、25℃的条件下的使用寿命约为117年(3.7E9s)。由公式(2)和公式(7)，可用来计算碳纤维复合芯在不同温度条件70℃、150℃、160℃及应力水平为材料强度值的25％(500MPa)、30％(600MPa)、35％(700MPa)、40％(800MPa)下的使用寿命，如表四所示。
表四 不同工况下复合芯材料的使用寿命(单位：年)
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于时间-温度等效原理对复合芯导线的蠕变试验数据进行移位处理，得到相应的时间-温度移位因子；
选取三种试验应力水平和三种试验温度水平；对于试验应力水平的选择，由于碳纤维复合芯强度为2000MPa，应力水平分别取强度值的25％、50％和90％，即σ0＝500MPa，σ1＝1000MPa，σ2＝1800MPa；试验温度水平为接近玻璃态温度的两种温度水平和使用温度水平，即T0＝25℃，T1＝140℃，T2＝160℃；
在三种应力水平σ＝σ0、σ1、σ2下，分别取T0为参考温度状态，将T1、T2温度下的蠕变应变-对数时间曲线向参考曲线移位，利用MathCAD程序计算移位曲线与参考曲线之间的最佳移位距离，计算结果就是相应的恒应力对数时间-温度移位因子
步骤二、基于时间-应力等效原理对步骤一处理得到的试验结果进行移位处理，得到相应的时间-应力移位因子；
利用时间-应力等效原理处理步骤一中得到的σ0，σ1，和σ2应力状态下的三条曲线；以σ0为参考应力状态，将σ1和σ2应力下的蠕变应变-对数时间曲线向参考曲线移位，并得到相应的对数时间-应力移位因子lgφσ(σ＝σ1、σ2)；
步骤三、设存在温度-应力联合移位因子φTσ使得
η(T,σ)＝η(T0,σ0)φTσ (1)
则由碳纤维复合芯材料的黏度η与其自由体积分数f0之间满足杜利特尔(Doolittle)方程，有
φTσ为温度-应力联合移位因子，B为杜利特尔常数，αT是自由体积分数的温度膨胀系数，ασ是自由体积分数的应力膨胀系数；令C1＝B/(2.303f0)，C2＝f0/αT，C3＝f0/ασ；
设存在恒温时间-应力移位因子和恒应力时间-温度移位因子使得
则
其中，为恒温时间-应力移位因子，为恒应力时间-温度移位因子；
由公式(1)和公式(3)，有如下关系存在
基于时间-温度-应力等效原理和公式(4)-(6)，利用步骤一得到的恒应力对数时间-温度移位因子和步骤二得到的对数时间-应力移位因子，求得T0、σ0参考条件下的温度-应力联合移位因子，并对公式(4)和公式(5)中的参数C1、C2、C3进行拟合，同时得到参考条件下的蠕变应变主曲线；
步骤四、利用改进的范德利模型对上述处理得到的蠕变应变主曲线进行拟合；改进的范德利模型为：
该范德利模型给出了碳纤维复合芯的蠕变应变ε随时间t变化的关系；其中，a1为碳纤维复合芯的初始弹性应变，a2为与应力和温度有关的系数，a3为与应力无关而与温度有关的材料常数，a4为与应力有关的系数；
利用范德利模型对参考条件下的蠕变应变主曲线进行拟合，得到范德利模型中的参数a1、a2、a3、a4；根据试验测试结果，碳纤维复合芯在蠕变应变发展到20000με，将会发生蠕变断裂；设定临界值，计算复合芯导线达到临界值的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法，其特征在于：用到的碳纤维复合芯导线材料为黏弹性材料。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合芯导线的老化寿命评估方法，其特征在于：碳纤维复合芯的玻璃态温度Tg＝161.5℃。
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