CN106596000B - 基于aml方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法 - Google Patents

基于aml方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法 Download PDF

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CN106596000B CN201611128802.6A CN201611128802A CN106596000B CN 106596000 B CN106596000 B CN 106596000B CN 201611128802 A CN201611128802 A CN 201611128802A CN 106596000 B CN106596000 B CN 106596000B
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Abstract

本发明涉及一种基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，包括第一阶段：通过积木式试验获元件级试验获取工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径影响因子CD、宽度‑直径比影响因子CW/D、拧紧力矩影响因子CTORQ、间隙影响因子CGAP、孔沉头影响因子CCSK和填孔压缩强度基本值SBASE；第二阶段：通过公式得到填孔压缩强度设计许用值SFHC‑ALL。本发明与以往试验方法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，考虑影响因子更全面，所获填孔压缩设计许用值更接近工程实际的技术特点。该发明为军、民机复合材料结构获取填孔压缩强度设计许用值提供了新的可行试验方法。

Description

基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法
技术领域
本发明属于飞机复合材料结构的试验、设计和应用领域，尤其涉及一种基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法。
背景技术
现有获得复合材料填孔压缩强度设计许用值的试验方法大多采用毯式曲线法，毯式曲线法中铺层角度包括0°、-45°、+45°、90°，铺层百分比数不小于10％。通过毯式曲线方法获得复合材料填孔压缩强度设计许用值的试验就是要将图1阴影部分按照试验标准和规范尽可能填充充分。
AML(Angle Minus Longitudinal)方法被应用在对称、均衡的层合板中，层合板包括0°，90°和±45°角度层，且每一角度层所占百分比不小于10％。AML由角度层(±45°)百分比减去纵向纤维层(0°)得出。当层合板不均衡时，AML由下式表式：
所以层合板有低百分比的角度层或高百分比的纵向层，AML都会很低。AML反映的是层合板在缺陷周边或纤维中断后的载荷重新分配能力，亦反映缺陷周遍的应力严重系数，图2表明：角度层百分比越高，冲击后压缩强度和填孔压缩强度越高。
发明内容
本发明的目的在于解决以往试验方法所获得的复合材料填孔压缩设计试验件数量多，试验复杂，试验周期长，试验考虑影响因素不够全面的工程实际，为获得复合材料填孔压缩强度设计许用值提供一种先进的试验方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，包括
第一阶段：通过积木式试验元件级试验获取工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D、、拧紧力矩影响因子CTORQ、间隙影响因子CGAP、孔沉头影响因子CCSK和填孔压缩强度基本值SBASE；
第二阶段：通过上述得到的各种参数计算填孔压缩强度设计许用值SFHC-ALL，计算公式为
SFHC-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CD*CW/D*CTORQ*CGAP*CCSK。
进一步地，第一阶段中，将试验件规划成三种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组，第一试验件组的AML值为-28，第二试验机组的AML值为0，第三试验件组的AML值为25，从而获得工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D、、拧紧力矩影响因子CTORQ、间隙影响因子CGAP、孔沉头影响因子CCSK和填孔压缩强度基本值SBASE。
进一步地，获取所述工艺批次影响因子CBB的过程为：
采用B基准值简化采样试验矩阵形式，分别从第一试验件组抽取18个第一试验件、从第二试验件组抽取18个第二试验件、从第三试验件组抽取18个第三试验件；每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，18个试验件；在湿热环境、几何参数、铺层顺序等条件完全相同情况下，通过如下公式计算所述工艺批次影响因子CBB，
σB基准值/RTD——代表室温干态状态的B基准值；
σ平均/RTD——代表室温干态状态的平均失效应变。
进一步地，所述湿热环境影响因子CEN的获取过程为：
获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的第一试验件、第二试验件及第三试验件均18个，并均分成3组，一组试验件进行低温干态CTD 试验、一组试验件进行室温干态RTD试验，最后一组试验件进行高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子CEN，所述湿热环境影响因子CEN通过如下公式得：
CEN＝Si/SRTD
Si——代表高温湿态ETW或低温干态CTD平均失效应变；
SRTD——代表室温干态平均失效应变。
进一步地，所述直径影响因子CD的获取过程为：
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅直径不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验件，并通过如下公式得到直径影响因子CD：
CD＝(SD/S1/4)
SD——代表不同直径试验件平均压缩失效应变；
S1/4——代表直径为1/4in试验件平均压缩失效应变。
进一步地，所述宽度-直径比影响因子CW/D的获取过程为：
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅宽度-直径比不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述宽度-直径比影响因子CW/D：
CW/D＝(SW/D/S5)
SW/D——代表不同宽度-直径比试验件平均压缩失效应变；
S5——代表宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变。
进一步地，所述拧紧力矩影响因子CTORQ的获取过程为：
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅拧紧力矩不同的试验件各12件，并均匀分成2组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述拧紧力矩影响因子CTORQ：
CTORQ＝(S100/S50)
S100——代表100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变；
S50——代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变。
8、根据权利要求7所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述间隙影响因子CGAP的获取过程为：
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅配合间隙不同的试验件各24件，并均分成4组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述间隙影响因子CGAP：
CGAP＝(SGAP/S0)
SGAP——代表不同配合间隙试验件平均压缩失效应变；
S0——代表配合间隙为0试验件平均压缩失效应变。
进一步地，所述孔沉头影响因子CCSK的获取过程为：
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅孔沉头百分比不同的试验件各30件，并均分成5组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到孔沉头影响因子CCSK：
CCSK＝(SCSK/S0)
SCSK——代表不同孔沉头深度百分比的试验件平均压缩失效应变；
S0——代表非沉头孔试验件平均压缩失效应变。
进一步地，所述填孔压缩强度基本值SBASE的获取过程为：
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的试验件各6件，并进行低温干态CTD试验、室温干态RTD试验和高温湿态ETW试验，用于得到填孔压缩强度基本值SBASE。
本发明的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法与以往试验方法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，考虑影响因子更全面，所获填孔压缩设计许用值更接近工程实际的技术特点。该发明为军、民机复合材料结构获取填孔压缩强度设计许用值提供了新的可行试验方法。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为现有技术结构设计中的典型毯式曲线示意图。
图2为现有技术的典型的AML曲线示意图(碳纤维)。
图3为本发明的工艺批次影响因子与AML关系曲线示意图。
图4为本发明的湿热环境影响因子与AML关系曲线示意图。
图5为本发明的直径影响因子与AML关系曲线示意图。
图6为本发明的宽度-直径比影响因子与AML关系曲线示意图。
图7为本发明的拧紧力矩影响因子与AML关系曲线示意图。
图8为本发明的间隙影响因子与配合关系关系曲线示意图。
图9为本发明的孔沉头影响因子与沉头深度百分比关系曲线示意图。
图10为本发明的填孔压缩强度基本值与AML关系示意图。
图11为本发明的填孔压缩试验件典型几何尺寸示意图。
图12为本发明的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，作为一种获得复合材料填孔压缩强度设计许用值的试验方法，结合了积木式试验元件级试验展开，试验夹具和试验矩阵按ASTM6742/D6742进行，试验件尺寸为“1.25in×12in”。获取填孔压缩设计许用值SFHC-ALL的过程分为二个阶段(如图12所示)：
第一阶段：将试验件规划成三种AML值的试验件形成第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组，试验件组的AML值分别为-28、0和25，之后获取对复合材料填孔压缩强度设计许用值具有显著影响的工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D、拧紧力矩影响因子CTORQ、间隙影响因子CGAP、孔沉头影响因子CCSK和填孔压缩强度基本值SBASE，每种AML值均需要做下述试验。
1)工艺批次影响因子
采取B基准值简化采样(B18)试验矩阵形式，分别从第一试验件组、第二试验件组、第三试验件组均抽取18个试验件；试验件共采用3个批次预浸料、2个固化循环，并在湿热环境(采用室温干态条件试验)、几何参数(钉孔直径、宽度-直径比、50％拧紧力矩、无配合间隙)、铺层顺序等条件完全相同情况下进行试验，并通过如下公式得到工艺批次影响因子CBB：
σB基准值/RTD代表室温干态状态3个批次，2个固化工艺的B基准值；
σ平均/RTD代表室温干态状态的平均失效应变。
本实施例中的工艺批次影响因子CBB与AML的关系详见图3所示。
2)湿热环境影响因子
从第一试验件组、第二试验件组第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数(包括钉孔直径、宽度-直径比、50％拧紧力矩、无配合间隙)的试验件各18件，并均分成三组，第一组进行低温干态CTD试验、第二组进行室温干态RTD试验、第三组进行高温湿态ETW试验，最后用如下公式得到湿热环境影响因子CEN：
CEN＝Si/SRTD
Si代表高温湿态(ETW)或低温干态(CTD)平均失效应变；
SRTD代表室温干态平均失效应变。
本实施例中的湿热环境影响因子CEN与AML的关系详见图4，获取设计许用值时CEN＝Min(Si/SRTD)。
3)直径影响因子
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅直径不同(其他的宽度-直径比、50％拧紧力矩、无配合间隙等均相同)的试验件各36件，并均分成6组，之后进行室温干态RTD试验件用于得到直径影响因子CD，其计算公式为：
CD＝(SD/S1/4)
SD代表直径为5/32in、3/16in、5/16in、3/8in、1/2in试验件平均压缩失效应变；
S1/4代表直径为1/4in试验件平均压缩失效应变。
本实施例中的直径影响因子CD与AML的关系详见图5。获取设计许用值时以1/4in直径试验件平均压缩失效应变为基本值，其它直径试验件平均压缩失效应变与1/4in直径试验件平均压缩失效应变相比得出开孔直径影响因子CD。
4)宽度-直径比影响因子
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅宽度-直径比不同(其他参数如直径、50％拧紧力矩、无配合间隙等均相同)的试验件各36件，并均分成6组，每组均进行室温干态RTD试验用于得到开宽度-直径比影响因子CW/D，其计算公式为：
CW/D＝(SW/D/S5)
SW/D代表宽度-直径比为3、4、6试验件平均压缩失效应变；
S5代表宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变。
宽度-直径比影响因子CW/D与AML的关系详见图6。获取设计许用值时以宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变为基本值，其它宽度-直径比试验件平均压缩失效应变与宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变相比得出宽度-直径比影响因子CW/D。
5)拧紧力矩影响因子
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅拧紧力矩不同(其他参数如直径、宽度-直径比、无配合间隙等均相同)的试验件各12件，并均匀分成2组，并进行室温干态RTD试验用于得到拧紧力矩影响因子CTORQ，其计算公式为：
CTORQ＝(S100/S50)
S100代表100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变；
S50代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变(按照规范CMH-17G，做填孔压缩试验时拧紧力矩取50％)。
本实施例中的拧紧力矩影响因子CTORQ与AML的关系详见图7。获取设计许用值时以50％拧紧力矩平均压缩失效应变为基本值，100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变与50％拧紧力矩平均压缩失效应变相比得拧紧力矩影响因子CTORQ。
6)间隙影响因子
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅配合间隙不同(其他参数如直径、宽度-直径比、50％拧紧力矩等均相同)的试验件各24件，并均分成4组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验用于得到间隙影响因子CGAP，其计算公式为：
CGAP＝(SGAP/S0)
SGAP代表配合间隙为0.05mm，0.1mm，0.15mm试验件平均压缩失效应变；
S0代表配合间隙为0试验件平均压缩失效应变。
本实施例中的间隙影响因子CGAP与配合间隙的关系详见图8。获取设计许用值时以配合间隙为0试验件平均压缩失效应变为基本值，其它配合间隙验件平均压缩失效应变与配合间隙为0试验件平均压缩失效应变相比得间隙影响因子CGAP。
7)孔沉头影响因子
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅孔沉头百分比不同(厚度、开孔直径、宽度-直径比，仅孔沉头百分比不同)的试验件各30件，并均分成5组，每组的试验件均进行的室温干态RTD试验用于得到孔沉头影响因子CCSK，其计算公式为：
CCSK＝(SCSK/S0)
SCSK代表孔沉头深度20％、40％、60％、80％试验件平均压缩失效应变(沉头深度百分比为沉头深度/层压板厚度)；
S0代表非沉头孔试验件平均压缩失效应变。
本实施例中的孔沉头影响因子CCSK与孔沉头百分比的关系详见图9。获取设计许用值时以孔沉头为非沉头孔试验件平均压缩失效应变为基本值，其它不同沉头深度试验件平均压缩失效应变与非沉头孔试验件平均压缩失效应变相比得出孔沉头影响因子CCSK。
7)填孔压缩强度基本值SBASE
自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数(参数包括直径、宽度-直径比、50％拧紧力矩、无配合间隙等)的试验件各6件均进行低温干态CTD试验、室温干态RTD试验和高温湿态ETW用于得到填孔压缩强度基本值SBASE。
获取填孔压缩强度基本值SBASE时，试验件基本构型详见表1。
本实施例中的填孔压缩强度基本值SBASE与AML的关系详见图10。
表1试验件基本构型
项目 构型
统计数据 平均值
试验环境 室温干态(RTD)
直径(in) 1/4(非沉头紧固件)
宽度-直径比 5
拧紧力矩 50％
配合间隙 无间隙(0)
AML -28\0\25
第二阶段：通过工程经验公式7得到填孔压缩强度设计许用值SFHC-ALL：
SFHC-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CD*CW/D*CTORQ*CGAP*CCSK
下表2是根据本发明的试验方法中的试验件(试验件尺寸如图11所述)再综合上述公式及本实施例的附图中数据所得的AML分别为-28、0和25、厚度为0.2in、孔径为1/4in、宽度-直径比为5、拧紧力矩100％、配合间隙0、沉头深度为60％的层合板复合材料填孔压缩强度设计许用值。
表2填孔压缩强度设计许用值
注：由于高温湿态ETW状态下湿热环境影响因子最小，所以上表取高温湿态ETW状态下的湿热环境影响因子CEN。
本发明的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法考虑因素全面周全，试验方法简单实用，该试验方法充分考虑了工艺批次、湿热环境、直径、宽度-直径比、拧紧力矩、配合间隙对复合材料填孔压缩设计许用值的显著影响，并通过复合材料积木式单级试验(元件级试验)获得所有影响因子和填孔压缩强度基本值。该试验方法得出公式8所示的8个因子曲线图后，每一个AML值均对应唯一的填孔压缩强度设计许用值。本发明与以往试验方法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，考虑影响因子更全面，所获填孔压缩设计许用值更接近工程实际的技术特点。该发明为军、民机复合材料结构获取填孔压缩强度设计许用值提供了新的可行试验方法。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，包括
第一阶段：通过积木式试验元件级试验获取工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D、拧紧力矩影响因子CTORQ、间隙影响因子CGAP、孔沉头影响因子CCSK和填孔压缩强度基本值SBASE，其中第一阶段中，将试验件规划成三种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组，第一试验件组的AML值为-28，第二试验件组的AML值为0，第三试验件组的AML值为25，
以及获取所述工艺批次影响因子CBB的过程为：采用B基准值简化采样试验矩阵形式，分别从第一试验件组抽取18个第一试验件、从第二试验件组抽取18个第二试验件、从第三试验件组抽取18个第三试验件；每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，18个试验件；在湿热环境、几何参数、铺层顺序等条件完全相同情况下，通过如下公式计算所述工艺批次影响因子CBB，
上式中，σB基准值/RTD——代表室温干态状态的B基准值；σ平均/RTD——代表室温干态状态的平均失效应变；
所述湿热环境影响因子CEN的获取过程为：获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的第一试验件、第二试验件及第三试验件均18个，并均分成3组，一组试验件进行低温干态CTD试验、一组试验件进行室温干态RTD试验，最后一组试验件进行高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子CEN，所述湿热环境影响因子CEN通过如下公式得：
CEN＝Si/SRTD
上式中，Si——代表高温湿态ETW或低温干态CTD平均失效应变；SRTD——代表室温干态平均失效应变；
所述直径影响因子CD的获取过程为：自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅直径不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验件，并通过如下公式得到直径影响因子CD：
CD＝(SD/S1/4)
上式中，SD——代表不同直径试验件平均压缩失效应变；S1/4——代表直径为1/4in试验件平均压缩失效应变；
所述宽度-直径比影响因子CW/D的获取过程为：自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅宽度-直径比不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述宽度-直径比影响因子CW/D：
CW/D＝(SW/D/S5)
上式中，SW/D——代表不同宽度-直径比试验件平均压缩失效应变；S5——代表宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变；
所述拧紧力矩影响因子CTORQ的获取过程为：自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅拧紧力矩不同的试验件各12件，并均匀分成2组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述拧紧力矩影响因子CTORQ：
CTORQ＝(S100/S50)
上式中，S100——代表100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变；S50——代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变
所述间隙影响因子CGAP的获取过程为：自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅配合间隙不同的试验件各24件，并均分成4组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述间隙影响因子CGAP：
CGAP＝(SGAP/S0)
上式中，SGAP——代表不同配合间隙试验件平均压缩失效应变；S0——代表配合间隙为0试验件平均压缩失效应变；
所述孔沉头影响因子CCSK的获取过程为：自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅孔沉头百分比不同的试验件各30件，并均分成5组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到孔沉头影响因子CCSK：
CCSK＝(SCSK/S0)
上式中，SCSK——代表不同孔沉头深度百分比的试验件平均压缩失效应变；S0——代表非沉头孔试验件平均压缩失效应变；
所述填孔压缩强度基本值SBASE的获取过程为：自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的试验件各6件，并进行低温干态CTD试验、室温干态RTD试验和高温湿态ETW试验，用于得到填孔压缩强度基本值SBASE；
第二阶段：通过上述得到的各种参数计算填孔压缩强度设计许用值SFHC-ALL，计算公式为
SFHC-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CD*CW/D*CTORQ*CGAP*CCSK。
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