CN105865684B - 一种树脂基复合材料的全面残余应力低温检测法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种树脂基复合材料的全面残余应力低温检测法，特别是一种针对各向异性非均质性树脂基复合材料的残余应力的测定方法。该发明采用低温应变花测定全面残余应力，解决了传统技术无法全面表征各向异性非均质性树脂基复合材料式样整体残余应力的问题。为实现对树脂基复合材料特别是各向异性非均质复合材料残余应力的全面测量，本发明采用一种将试样置于低温介质或环境中，或者将试样在低温及常温环境中循环切换，使残余应力充分释放，并采用应变花对残余应力进行测试的方法。
Description
技术领域
本发明属于一种树脂基复合材料的全面残余应力低温检测法，特别是一种针对各向异性非均质性树脂基复合材料的残余应力的测定方法。该发明采用低温应变花测定全面残余应力，解决了传统技术无法全面表征各向异性非均质性树脂基复合材料式样整体残余应力的问题。
背景技术
树脂基复合材料以其优异性能获得了广泛应用，但成型过程产生的残余应力会影响复合材料的质量和可靠性，从而严重影响树脂基复合材料的性能及应用范围。残余应力是衡量构件质量的重要指标之一，许多结构或机械零件的损坏并非由于外加载荷所引起，而是由于存在不适当的残余应力造成的。一般认为残余应力的存在会导致结构零件性能的劣化，但是若能够准确的对残余应力进行测量，也可以对残余应力进行充分利用，如采用各种办法使材料表面形成富残余应力层，以提高其抗疲劳强度。因此，了解树脂基复合材料残余应力则非常重要。
测试材料残余应力的方法包括无损检测和有损检测，无损检测精度较高，但往往试验成本高，不利于在工程中应用；有损检测虽然成本不高，但精度却较低，难以满足研究要求。对于各向异性非均质的树脂基复合材料，其内部残余应力分布是不均匀的，而目前已有的残余应力的无损检测和有损检测方法，均只能检测式样局部的残余应力，无法全面表征式样整体的残余应力。
本发明正是针对传统测试方法的这些问题，采用一种将试样置于低温介质或环境中(≤Tc；Tc为能使式样产生裂纹的最高温度)，或者将试样在低温及常温环境中循环切换，使残余应力充分释放，并采用应变花对残余应力进行测试的方法。
发明内容
为实现对树脂基复合材料特别是各向异性非均质复合材料残余应力的全面测量，本发明采用一种将试样置于低温介质或环境中，或者将试样在低温及常温环境中循环切换，使残余应力充分释放，并采用应变花对残余应力进行测试的方法。
本发明的技术方案：
一种树脂基复合材料的全面残余应力低温检测法，步骤如下：
1)预处理：在待测树脂基复合材料表面中心处确定1个测试点，将测试点处打磨平整，再用清洁剂清洁测试点，确保测试点表面清洁光滑；
2)采用低温胶将应变花粘在步骤1)处理好的测试点上，应变花上的一个引线连接有接线端子；通过接线端子引出应变花的测试线，测试线连接数据线；
3)将另一个应变花上的引线连接有接线端子，通过接线端子引出应变花的补偿线，补偿线连接数据线，此应变花作为对照组；将步骤2)和步骤3)的数据线连接到静态应变仪上，测量并记录应变值A；
4)将粘贴有应变花的待测树脂基复合材料置于低温介质中或在低温介质与室温介质中不断循环变换，待测树脂基复合材料在低温介质中因残余应力的释放而产生应变，直至待测树脂基复合材料内部残余应力全部释放完成，应变值达到稳定；同时将对照组应变花置于低温介质中或在低温介质与室温介质中不断循环变换，测得应变值B，作为环境对应变花影响的补偿量；
所述的低温介质为液氧、液氮或液氦，其温度不大于Tc，Tc为能使式样产生裂纹的最高温度；
5)通过应变值A减去应变值B，即得到待测树脂基复合材料本身残余应力释放所引起的应变值C；为了提高测量精度，选多点进行上述步骤，确定应变值C的平均值，再根据弹性力学理论得出待测树脂基复合材料的残余应力，即得待测树脂基复合材料的全面残余应力。
所述的弹性力学理论所用公式为：
式中：σ1为第一残余主应力、σ2为第二残余主应力；A为待测应变花的释放系数、B为对照应变花的释放系数，A和B的大小采用与被测式样相同材料的标定式样在单向拉伸状态下测定；ε1、ε2、ε3为应变花中三个方向的应变片的应变值，应变花由0度，45度和90度上的3个应变片组成；为主方向角，是σ1与0度方向的应变片间的夹角。
本发明的有益效果：
1)可有效用于结构复杂的各向异性非均质性树脂基复合材料残余应力研究；
2)可测得相对较大试样的全面残余应力，更接近实际使用材料；
3)对复合材料构件的结构形状没有特别要求；
4)试验操作简单灵活，结果计算方便。
附图说明
附图1是全面残余应力低温检测法实施过程的示意图。
图中：①待测树脂基复合材料；②应变花；③端子；④数据线；⑤静态应变仪；⑥计算机；⑦低温介质。
具体实施方式
以下结合附图1和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例：
一种0°铺层的单向碳纤维增强环氧树脂基复合材料，其固化过程最高温度为160℃，采用本方法测试其固化过程中产生的残余应力，选取温度为-196℃的液氮作为低温介质，对试样进行低温浸泡释放残余应力。
(1)取尺寸为10cm*10cm的式样；
(2)根据式样铺层特点，选取尺寸为1cm*1cm的0°/45°/90°应变花；
(3)在式样中心处，用800目砂纸打磨，打磨区域面积大于应变花尺寸，用乙醇清理打磨后的试样表面并烘干；
(4)采用低温胶将应变花粘贴在式样中心，确保0°方向应变片与纤维方向一致；
(5)在应变花各导线延长线方向各打磨尺寸约为1cm*1cm的区域，并用乙醇清理烘干，用于粘贴端子；
(6)采用焊锡将应变花导线和数据线在端子处连接；
(7)作为环境对应变花影响的补偿，将未与式样粘接的应变花也连接好数据线，与式样一同置于液氮中进行浸泡处理；
(8)数据线与静态应变仪的数据采集通道相连，通过计算机控制并采集数据；
(9)粘有应变花的式样和补偿应变花在液氮中浸泡12h，同时采集应变数据；
(10)根据本方法所涉及的弹性力学公式，结合采集的应变数据，计算得出式样的全面残余应力及其方向。
Claims (1)
1.一种树脂基复合材料的全面残余应力低温检测法，其特征在于，步骤如下：
1)预处理：在待测树脂基复合材料表面中心处确定1个测试点，将测试点处打磨平整，再用清洁剂清洁测试点，确保测试点表面清洁光滑；
2)采用低温胶将应变花粘在步骤1)处理好的测试点上，应变花上的一个引线连接有接线端子；通过接线端子引出应变花的测试线，测试线连接数据线；
3)将另一个应变花上的引线连接有接线端子，通过接线端子引出应变花的补偿线，补偿线连接数据线，此应变花作为对照组；将步骤2)和步骤3)的数据线连接到静态应变仪上，测量并记录应变值A；
4)将粘贴有应变花的待测树脂基复合材料置于低温介质中或在低温介质与室温介质中不断循环变换，待测树脂基复合材料在低温介质中因残余应力的释放而产生应变，直至待测树脂基复合材料内部残余应力全部释放完成，应变值达到稳定；同时将对照组应变花置于低温介质中或在低温介质与室温介质中不断循环变换，测得应变值B，作为环境对应变花影响的补偿量；
所述的低温介质为液氧、液氮或液氦，其温度不大于Tc，Tc为能使式样产生裂纹的最高温度；
5)通过应变值A减去应变值B，即得到待测树脂基复合材料本身残余应力释放所引起的应变值C；选多个测试点重复上述步骤，以提高测量精度，确定应变值C的平均值，再根据弹性力学理论得出待测树脂基复合材料的残余应力，即得待测树脂基复合材料的全面残余应力；
所述的弹性力学理论所用公式为：
式中，σ1为第一残余主应力、σ2为第二残余主应力；A为待测应变花的释放系数、B为对照应变花的释放系数，A和B的大小采用与被测式样相同材料的标定式样在单向拉伸状态下测定；ε1、ε2、ε3为应变花中三个方向的应变片的应变值，应变花由0度，45度和90度上的3个应变片组成；为主方向角，是σ1与0度方向的应变片间的夹角。
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