CN105928810B - 纤维增强材料弯曲疲劳测试方法 - Google Patents

纤维增强材料弯曲疲劳测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，包括如下步骤：S1、测试基本参数和确定测试条件；S2、调节测试跨距；S3、设置测试补偿通道；S4、确定最大应力；S5、分多个应力级测试，得到弯曲性能测试得到应力‑应变曲线，通过取点找到相应应力值的应变量，再按挠度值计算公式求得每个应力级对应应变的挠度值；S6、设置测试应力参数；S7、分次进行弯曲疲劳试验；S8、线性拟合：将步骤S7中的试验结果，以N为纵坐标，S为横坐标，测试值采用回归线性分析绘制S‑N曲线；并根据S‑N曲线拟合出拟合方程log10(应力)＝a–b log10(次数)或(应力)＝a*(次数)(‑b)。本发明解决了纤维增强材料弯曲疲劳测试的方法依据。并且通过拟合的方程能够快速地比较出疲劳测试寿命。

Description

纤维增强材料弯曲疲劳测试方法
技术领域
本发明涉及一种纤维增强材料弯曲疲劳测试方法。
背景技术
目前，公知在纤维增强材料领域的抗弯曲疲劳的试验标准没有系统全面地介绍，而且众所周知的GB/T 16779和ISO 13003疲劳试验方法中也没有对弯曲疲劳的试验进行介绍。
相对拉-拉疲劳而言弯曲疲劳的试验力值非常小，同时在目前相关疲劳试验机方面对纤维增强材料弯曲疲劳试验也无法对弯曲疲劳的动态力值达到有效的控制。
现行对增强纤维材料的弯曲疲劳试样没有可采用的方法标准，通常只是在常用的GB/T 16779和ISO 13003疲劳试验方法下进行的推演试验。本申请就是要建立纤维增强材料弯曲疲劳试验的方法。纤维增强材料弯曲疲劳波形交变应力作用下的控制是弯曲疲劳测试的关键步骤。由于弯曲疲劳的应力值较小，在动态力值的控制下传感器无法达到设定值的精确要求，对测试数据产生较大的偏差，影响测试数据的真实性。本技术就是克服常规动态传感器无法控制较小试验力值要求，达到对较小力值进行精准控制的要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种操作简洁、方便，效果优良的纤维增强材料弯曲疲劳测试方法。
本发明采用的技术方案是：
纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、测试基本参数设定和确定测试条件：测试频率采用3～5Hz；测试选择的最大应力和最小应力的应力比R为10；设定测试循环波形；测试环境按照标准环境条件，其中，标准环境条件为温度23±2℃，相对湿度50±10％；
待测试样在标准环境条件下进行调理并在标准环境条件进行试验；
S2、调节测试跨距：按照ISO 14125静态弯曲测试方法调节好弯曲下支座的跨距；；
S3、设置测试补偿通道：首先在静态试验机上进行弯曲性能测试得到应力-应变曲线，再在静态试验机上对应力-应变曲线通过取点找到相应应力值的应变量，通过应力对应的应变求得对应的挠度值，挠度值计算公式如下：s＝εf×L2/600h；
上式中，s是挠度，单位为mm；εf是弯曲应变，表示为％；h是待测试样的厚度，单位为mm；L是跨度，单位为mm；
S4、确定最大应力：在疲劳试验前通过ISO 14125静态弯曲试验方法得到最大应力，确定测试的应力等级；
S5、分多个应力级测试：静态测试多个有效数据的平均值作为弯曲疲劳应力的最大应力，并且得到弯曲性能测试得到应力-应变曲线，通过取点找到相应应力值的应变量，再按挠度值计算公式求得每个应力级对应应变的挠度值；
S6、设置测试应力参数：
S61、直线段试验：采用位移控制，试验在达到疲劳应力最大值时以恒定速率控制，直至达到弯曲疲劳的最大应力值；
S62、波形段试验：在波形内设置位移控制，按计算得到的挠度值换算成中心值和振幅值分别填入波形的中心值和振幅值；波形模块采用多模式控制，多模式控制目标设置成峰值控制，按设计的最大弯曲应力级填入峰值载荷，同时分别按照最大应力和最小应力的应力比R为10，换算成最小应力填入谷值(谷值就是应力的最小值)；
S7、分次进行弯曲疲劳试验：
S71、应力水平Smax1，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N1；
S72、应力水平Smax2，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N2；
S73、应力水平Smax3，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N3；
S74、应力水平Smax4，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N4；
S75、应力水平Smax5，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N5；
以此类推；
S8、线性拟合：将步骤S7中的试验结果，以N为纵坐标，S为横坐标，测试值采用回归线性分析绘制S-N曲线；并根据S-N曲线拟合出拟合方程log10(应力)＝a–b log10(次数)或(应力)＝a*(次数)(-b),其中a表示计算系数；b表示计算指数，它的倒数表示斜率。
进一步，步骤S1设定的测试循环波形优选为正弦波，待测试样的条理时间优选为24小时以上。
进一步，步骤S61直线段试验中，所述的恒定控制速率保持相同。
进一步，步骤S61直线段试验中，所述的恒定控制速率优选为1mm/min。
本发明克服了常规动态传感器无法控制较小试验力值要求。弯曲疲劳正弦波段的控制，是弯曲疲劳测试的关键步骤。由于弯曲疲劳的应力值较小，在动态力值的控制下传感器无法达到设定值的精度要求。通过增加多通道控制模式，采用位于控制补偿应力控制的不足。具体解决方法是，首先在静态试验机上进行弯曲性能测试得到应力-应变曲线，再在静态试验机上对应力-应变曲线通过取点找到相应应力值的应变量，再通过挠度公式s＝εf×L2/600h求得应力对应的挠度值。
本发明的有益效果体现在：
1、解决了纤维增强材料弯曲疲劳测试的方法依据，并且通过拟合的方程能够快速地比较出疲劳测试寿命。
2、解决了常规疲劳试验机对较小动态力值的控制精度问题。
附图说明
图1是对应得到的拟合方程，其中大的正方形代表的是1#样模拟得到的方程，小的正方形代表的是2#样模拟得到的方程。
具体实施方式
实施例1
参照图1，纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，所述的方法包括如下步骤：
S1、测试基本参数和确定测试条件：测试频率采用3～5Hz；测试选择的最大应力和最小应力的应力比R为10；测试循环波形设为正弦波；测试环境按照标准环境条件，其中，标准环境条件为温度23±2℃，相对湿度50±10％；
待测试样在标准环境条件下调理24小时以上并在标准环境条件进行试验；
S2、调节测试跨距：按照ISO 14125静态弯曲测试方法调节好弯曲下支座的跨距20倍的待测试样的厚度；
S3、设置测试补偿通道：首先在静态试验机上进行弯曲性能测试得到应力-应变曲线，再在静态试验机上对应力-应变曲线通过取点找到相应应力值的应变量，通过应力对应的应变求得对应的挠度值，挠度值计算公式如下：s＝εf×L2/600h；
上式中，s是挠度，单位为mm；εf是弯曲应变，表示为％；h是待测试样的厚度，单位为mm；L是跨度，单位为mm；
S4、确定最大应力：在疲劳试验前通过ISO 14125静态弯曲试验方法得到最大应力，确定好测试的应力等级：采用最大应力的70％作为最大应力级，同时每5％作为一个应力级，应力级分别为：70％、65％、60％、55％、50％五个应力等级；
S5、分5个应力级测试：静态测试5个有效数据的平均值作为弯曲疲劳应力的最大应力，并且得到弯曲性能测试得到应力-应变曲线，通过取点找到相应应力值的应变量，再按挠度值计算公式求得每个应力级对应应变的挠度值；
S6、设置测试应力参数：
S61、直线段试验：采用位移控制，试验在达到疲劳应力最大值时以1mm/min的恒定速率控制，直至达到弯曲疲劳的最大应力值；
S62、波形段试验：在波形内设置位移控制，按计算得到的挠度值换算成中心值和振幅值分别填入波形的中心值和振幅值；
波形模块采用多模式控制，多模式控制目标设置成峰值控制，按设计的最大弯曲应力级，即按照70％、65％、60％、55％、50％五个应力等级填入峰值载荷，同时分别按照最大应力和最小应力的应力比R为10，换算成最小应力填入谷值；
S7、分次进行弯曲疲劳试验：S71、应力水平Smax1：应力级为最大弯曲应力的70％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N1；S72、应力水平Smax2：应力级为最大弯曲应力的65％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N2；S73、应力水平Smax3：应力级为最大弯曲应力的60％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N3；S74、应力水平Smax4：应力级为最大弯曲应力的55％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N4；S75、应力水平Smax5：应力级为最大弯曲应力的50％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N5；S8、线性拟合：将步骤S7中的试验结果，以N为纵坐标，S为横坐标，测试值采用回归线性分析绘制S-N曲线；并根据S-N曲线拟合出拟合方程log10(应力)＝a–b log10(次数)或(应力)＝a*(次数)(-b)，其中a表示计算系数；b表示计算指数，它的倒数表示斜率。
表1 1#样对应的应力等级以及循环次数
根据表1的数据以及上述拟合方程拟合得到图1中大正方形所示的曲线。
实施例2
参考图1，纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，所述的方法包括如下步骤：
S1、测试基本参数和确定测试条件：测试频率采用3～5Hz；测试选择的最大应力和最小应力的应力比R为10；测试循环波形设为正弦波；测试环境按照标准环境条件，其中，标准环境条件为温度23±2℃，相对湿度50±10％；
待测试样在标准环境条件下调理24小时以上并在标准环境条件进行试验；
S2、调节测试跨距：按照ISO 14125静态弯曲测试方法调节好弯曲下支座的跨距20倍的待测试样的厚度；
S3、设置测试补偿通道：首先在静态试验机上进行弯曲性能测试得到应力-应变曲线，再在静态试验机上对应力-应变曲线通过取点找到相应应力值的应变量，通过应力对应的应变求得对应的挠度值，挠度值计算公式如下：s＝εf×L2/600h；
上式中，s是挠度，单位为mm；εf是弯曲应变，表示为％；h是待测试样的厚度，单位为mm；L是跨度，单位为mm；
S4、确定最大应力：在疲劳试验前通过ISO 14125静态弯曲试验方法得到最大应力，确定好测试的应力等级：采用最大应力的70％作为最大应力级，同时每5％作为一个应力级，应力级分别为：70％、65％、60％、55％、50％五个应力等级；
S5、分5个应力级测试：静态测试5个有效数据的平均值作为弯曲疲劳应力的最大应力，并且得到弯曲性能测试得到应力-应变曲线，通过取点找到相应应力值的应变量，再按挠度值计算公式求得每个应力级对应应变的挠度值；
S6、设置测试应力参数：
S61、直线段试验：采用位移控制，试验在达到疲劳应力最大值时以1mm/min的恒定速率控制，直至达到弯曲疲劳的最大应力值；
S62、波形段试验：在波形内设置位移控制，按计算得到的挠度值换算成中心值和振幅值分别填入波形的中心值和振幅值；
波形模块采用多模式控制，多模式控制目标设置成峰值控制，按设计的最大弯曲应力级，即按照70％、65％、60％、55％、50％五个应力等级填入峰值载荷，同时分别按照最大应力和最小应力的应力比R为10，换算成最小应力填入谷值；
S7、分次进行弯曲疲劳试验：S71、应力水平Smax1：应力级为最大弯曲应力的70％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N1；S72、应力水平Smax2：应力级为最大弯曲应力的65％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N2；S73、应力水平Smax3：应力级为最大弯曲应力的60％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N3；S74、应力水平Smax4：应力级为最大弯曲应力的55％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N4；S75、应力水平Smax5：应力级为最大弯曲应力的50％，进行极弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N5；S8、线性拟合：将步骤S7中的试验结果，以N为纵坐标，S为横坐标，测试值采用回归线性分析绘制S-N曲线；并根据S-N曲线拟合出拟合方程log10(应力)＝a–b log10(次数)或(应力)＝a*(次数)(-b)，其中a表示计算系数；b表示计算指数，它的倒数表示斜率。
表2 2#样对应的应力等级以及循环次数
根据表2的数据以及上述拟合方程拟合得到图1中小正方形所示的曲线。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、测试基本参数设定和确定测试条件：测试频率采用3～5Hz；测试选择的最大应力和最小应力的应力比R为10；设定测试循环波形；测试环境按照标准环境条件，其中，标准环境条件为温度23±2℃，相对湿度50±10％；
待测试样在标准环境条件下进行调理并在标准环境条件进行试验；
S2、调节测试跨距：按照ISO 14125静态弯曲测试方法调节好弯曲下支座的跨距；；
S3、设置测试补偿通道：首先在静态试验机上进行弯曲性能测试得到应力-应变曲线，再在静态试验机上对应力-应变曲线通过取点找到相应应力值的应变量，通过应力对应的应变求得对应的挠度值，挠度值计算公式如下：s＝εf×L2/600h；
上式中，s是挠度，单位为mm；εf是弯曲应变，表示为％；h是待测试样的厚度，单位为mm；L是跨度，单位为mm；
S4、确定最大应力：在疲劳试验前通过ISO 14125静态弯曲试验方法得到最大应力，确定测试的应力等级；
S5、分多个应力级测试：静态测试多个有效数据的平均值作为弯曲疲劳应力的最大应力，并且得到弯曲性能测试应力-应变曲线，通过取点找到相应应力值的应变量，再按挠度值计算公式求得每个应力级对应应变的挠度值；
S6、设置测试应力参数：
S61、直线段试验：采用位移控制，试验在达到疲劳应力最大值时以恒定速率控制，直至达到弯曲疲劳的最大应力值；
S62、波形段试验：在波形内设置位移控制，按计算得到的挠度值换算成中心值和振幅值分别填入波形的中心值和振幅值；波形模块采用多模式控制，多模式控制目标设置成峰值控制，按设计的最大弯曲应力级填入峰值载荷，同时分别按照最大应力和最小应力的应力比R为10，换算成最小应力填入谷值；
S7、分次进行弯曲疲劳试验：
S71、应力水平Smax1，进行极限弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N1；
S72、应力水平Smax2，进行极限弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N2；
S73、应力水平Smax3，进行极限弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N3；
S74、应力水平Smax4，进行极限弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N4；
S75、应力水平Smax5，进行极限弯曲疲劳试验，直至试样断裂，记录疲劳寿命N5；
以此类推；
S8、线性拟合：将步骤S7中的试验结果，以N为纵坐标，S为横坐标，测试值采用回归线性分析绘制S-N曲线；并根据S-N曲线拟合出拟合方程log10(应力)＝a–b log10(次数)，其中a表示计算系数；b表示计算指数，它的倒数表示斜率。
2.如权利要求1所述的纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，其特征在于：所述的步骤S1设定的测试循环波形为正弦波，待测试样的调理时间为24小时以上。
3.如权利要求2所述的纤维增强材料弯曲疲劳测试方法，其特征在于：所述的步骤S61直线段试验中，采用位移控制，试验在达到疲劳应力最大值时以1mm/min的恒定速率控制。
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