CN106769457A - 基于aml方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法 - Google Patents

基于aml方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，包括如下步骤：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、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度‑直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值SBASE；第二阶段：通过获取的上述影响因子计算开孔拉伸强度设计许用值SOHT‑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，所获开孔拉伸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开孔拉伸强度设计许用值提供了新的可行试验方法。

Description

基于AML方法的复合材料开孔拉伸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强度试验领域，尤其涉及一种基于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法。
背景技术
现有获得复合材料开孔拉伸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开孔拉伸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，冲击后压缩强度和开孔拉伸强度越高。
发明内容
本发明的目的是提供一种于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，解决以往试验方法所获得的复合材料开孔拉伸设计试验件数量多，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，为获得复合材料开孔拉伸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：1、一种基于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
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、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值SBASE；
第二阶段：通过获取的上述影响因子计算开孔拉伸强度设计许用值SOHT-ALL，计算公式为
SOHT-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D。
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，第二试验件组的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、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值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、另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，所述厚度影响因子CTH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、几何参数中仅厚度不同的试验件各18件，并均分成3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厚度影响因子CTH：
CTH＝(St/S0.18)
St——代表不同厚度平均拉伸失效应变；
S0.18——代表0.18in厚度平均拉伸失效应变；
进一步地，所述开孔直径影响因子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、几何参数中仅开孔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，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42件，并均分成7组，每组的试验件均进行低温干态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。
本发明具有以下有益的效果：
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，所获开孔拉伸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开孔拉伸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为本发明一实施例的结构设计中的典型毯式曲线示意图。
图2为本发明一实施例的典型的AML曲线示意图(碳纤维)。
图3为本发明一实施例的工艺批次影响因子与AML关系曲线示意图。
图4为本发明一实施例的湿热环境影响因子与AML关系曲线示意图。
图5为本发明一实施例的厚度影响因子与AML关系曲线示意图。
图6为本发明一实施例的开孔直径影响因子与AML关系曲线示意图。
图7为本发明一实施例的宽度-直径比影响因子与AML关系曲线示意图。
图8为现有技术的开孔拉伸强度基本值与AML关系示意图。
图9为本发明的开孔拉伸试验件典型几何尺寸示意图。
图10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方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，作为一种获得复合材料开孔拉伸强度设计许用值的试验方法，并结合积木式试验元件级试验展开，试验夹具和试验矩阵按ASTM5766/D5766进行，试验件尺寸为“1.25in×12in”。
获取开孔拉伸设计许用值SOHT-ALL的过程分为二个阶段(如图10所示)：
第一阶段：将试验件规划成三种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组，三个试验件组的AML值分别为-28、0和25，之后获取对复合材料开孔拉伸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、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值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；试验件采用3个批次预浸料、2个固化循环，共18个试验件。在湿热环境(采用室温干态条件试验)、几何参数(厚度、钉孔直径、宽度-直径比、非沉头)、铺层顺序等条件完全相同情况下，工艺批次影响因子CBB用以下公式表示：
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
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(厚度、钉孔直径、宽度-直径比、非沉头)的试验件各18件，并均分成3组，一组进行低温干态CTD试验、另一组进行室温干态RTD试验和最后一组高温湿态ETW试验用于得到湿热环境影响因子CEN，得到湿热环境影响因子CEN的公式为：
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所示，获取设计许用值时CEN＝Min(Si/SRTD)。
3)厚度影响因子
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、几何参数中仅厚度不同(其他参数如钉孔直径、宽度-直径比、非沉头等相同)的试验件各18件，并均分成3组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验用于得到厚度影响因子CTH，得到厚度影响因子CTH的公式为：
CTH＝(St/S0.18)
St代表0.12in或0.24in厚度平均拉伸失效应变；
S0.18代表0.18in厚度平均拉伸失效应变。
本实施例中的厚度影响因子CTH与AML的关系详见图5所示。获取设计许用值时以0.18in厚度试验件平均拉伸失效应变为基本值，其它厚度试验件平均拉伸失效应变与0.18in厚度试验件平均拉伸失效应变相比得出厚度影响因子CTH。
4)开孔直径影响因子
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、几何参数中仅开孔直径不同(其他参数如厚度、宽度-直径比、非沉头等相同)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试验用于得到开孔直径影响因子CD：
CD＝(SD/S1/4)
SD代表直径为5/32in、3/16in、5/16in、3/8in、1/2in试验件平均拉伸失效应变；
S1/4代表直径为1/4in试验件平均拉伸失效应变。
本实施例中的开孔直径影响因子CD与AML的关系详见图6所示。获取设计许用值时以1/4in直径试验件平均拉伸失效应变为基本值，其它厚度试验件平均拉伸失效应变与1/4in直径试验件平均拉伸失效应变相比得出厚度影响因子CD。
5)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(其他参数如厚度、开孔直径、非沉头等相同)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试验用于得到开宽度-直径比影响因子CW/D，得到开宽度-直径比影响因子CW/D的公式为：
CW/D＝(SW/D/S5)
SW/D表宽度-直径比为3、4、6试验件平均拉伸失效应变；
S5代表宽度-直径比为5试验件平均拉伸失效应变。
本实施例中的宽度-直径比影响因子CW/D与AML的关系详见图7所示。获取设计许用值时以宽度-直径比为5试验件平均拉伸失效应变为基本值，其它宽度-直径比试验件平均拉伸失效应变与宽度-直径比为5试验件平均拉伸失效应变相比得出宽度-直径比影响因子CW/D。
6)开孔拉伸强度基本值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(包括厚度、开孔直径、宽度-直径比、非沉头)的试验件各42件，并均分成7组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验用于得到开孔拉伸强度基本值SBASE。
获取开孔拉伸强度基本值SBASE时，试验件基本构型详见表1。
本实施例中的开孔拉伸强度基本值SBASE与AML的关系详见图8。
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
厚度(in) 0.18～0.26
宽度-直径比 5
孔 非沉头
AML -28\0\25
第二阶段：通过如下公式得到开孔拉伸强度设计许用值SOHT-ALL：
SOHT-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D。
下表2是本实施例的试验件(见图9所示)并结合上述公式和附图所得的AML分别为-28、0和25及厚度为0.2in、孔径为1/4in、宽度-直径比为5、沉头深度为60％的层合板复合材料开孔拉伸强度设计许用值。
表2开孔拉伸强度设计许用值
注：低温干态CTD环境对开孔拉伸强度影响最低，上表计算时CEN取低温干态时因子。
本发明的基于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，试验考虑因素全面周全，试验方法简单实用，充分考虑了工艺批次、湿热环境、厚度、开孔直径、宽度-直径比对复合材料开孔拉伸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开孔拉伸强度基本值。本发明的试验方法得出公式所示的6个因子曲线图后，每一个AML值均对应唯一的开孔拉伸强度设计许用值。
本发明的目的在于解决以往试验方法所获得的复合材料开孔拉伸设计试验件数量多，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，为获得复合材料开孔拉伸强度设计许用值提供一种先进的试验方法。
本发明的试验方法通过在第一阶段规划3种AML值的试验件，AML值分别为-28、0和25，主要获取对复合材料开孔拉伸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、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值SBASE；第二阶段通过公式得到开孔拉伸强度设计许用值SOHT-ALL。
本发明的基于AML方法的复合材料开孔拉伸设计许用值试验方法以复合材料积木式试验元件级试验为依托，通过试验分别获得对复合材料开孔拉伸强度设计许用值具有显著影响的工艺批次影响因子、湿热环境影响因子、厚度影响因子、开孔直径影响因子、宽度-直径比影响因子和开孔拉伸强度基本值。通过试验获得对复合材料开孔拉伸强度设计许用值影响因子全面翔实，最终获得的开孔拉伸强度设计许用值符合工程实际，满足适航和审定要求。
本发明具有以下有益的效果：
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，所获开孔拉伸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开孔拉伸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 (8)

1.一种基于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
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、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值SBASE；
第二阶段：通过获取的上述影响因子计算开孔拉伸强度设计许用值SOHT-ALL，计算公式为
SOHT-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D。
2.根据权利要求1所述的基于AML方法的复合材料开孔拉伸强度设计许用值试验方法，其特征在于，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，从而获得工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、厚度影响因子CTH、开孔直径影响因子CD、宽度-直径比影响因子CW/D和开孔拉伸强度基本值SBASE。
3.根据权利要求2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，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。
4.根据权利要求3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、另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。
5.根据权利要求4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，所述厚度影响因子CTH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、几何参数中仅厚度不同的试验件各18件，并均分成3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厚度影响因子CTH：
CTH＝(St/S0.18)
St——代表不同厚度平均拉伸失效应变；
S0.18——代表0.18in厚度平均拉伸失效应变。
6.根据权利要求5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，所述开孔直径影响因子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、几何参数中仅开孔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，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。
7.根据权利要求6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。
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42件，并均分成7组，每组的试验件均进行低温干态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。
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