CN107357973A - 一种cfrp层板任意层间界面i型分层断裂韧度稳定值的预测方法 - Google Patents
一种cfrp层板任意层间界面i型分层断裂韧度稳定值的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，包括以下步骤：(1)设计制造具有0°/0°和0°/90°分层界面的CFRP层板试验件；(2)对上述两种试验件开展I型静力分层试验；(3)确定两种试验件I型分层断裂韧度稳定值GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)；(4)将GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)带入一个以分层界面角度为自变量的I型分层断裂韧度稳定值理论公式，获得90°铺层层内损伤和纤维桥联断裂功G(90°)；(5)以G(90°)和GI,Prop(0°,0°)为基本参数，利用上述I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，预测具有任意分层界面CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值。本发明通过对具有两种分层界面CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的测试，预测具有任意分层界面CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值，便于工程应用，并可降低试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料I型分层断裂韧度预测的技术领域，具体涉及一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料因其良好的力学性能被逐渐应用于飞机主承力结构中。工程实际中使用的复合材料大都是层合板结构，而层合板结构存在致命的缺陷，即容易发生分层损伤。分层损伤的出现将造成结构强度和刚度显著下降，鉴于分层损伤通常处于结构内部，肉眼不可见，因此，分层损伤的扩展往往会引发无预兆的灾难性事故，这些都严重制约了复合材料在实际工程中的应用。可喜的是，复合材料层合板中的分层扩展具有阻力行为，即分层起始后，分层扩展的阻力(断裂韧度)随着分层的扩展逐渐提升，整个分层扩展过程具有显著阻力行为。鉴于上述复合材料层合板分层扩展的阻力行为，分层损伤不一定会扩展，在分层长度较短时，只有持续提高外载荷才能驱动分层不断扩展，并且只有当分层扩展长度超过一定值，即对应的分层阻力达到R曲线上的断裂韧度稳定值(也是最大值)时，分层损伤才是危险的。可见，决定结构最终承载能力的是层合板分层的断裂韧度稳定值，即R曲线断裂韧度的最大值。综上所述，正确地评价和预测复合材料结构的分层扩展的断裂韧度稳定值对工程实际中复合材料结构的损伤容限设计和分析具有重要的理论意义和工程指导价值。
现有的大量试验研究表明层合板中分层沿着具有不同铺层角的铺层间界面扩展时，其I型分层扩展的断裂韧度稳定值显著不同。此外，层合板中I型分层的断裂韧度稳定值呈现出显著的界面角度依赖性，一般来说，分层界面角度越大，即临近分层界面的铺层的铺层角越大，I型分层的断裂韧度稳定值越高。真实结构中的层合板具有多种铺层，分层可能发生在任意铺层角度的两个铺层之间，不可能通过试验手段穷尽所有可能出现的情形。故有必要建立一个便于工程应用的断裂韧度稳定值的理论模型，预测任意分层界面角度情形下I型分层的断裂韧度稳定值。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种预测I型分层损伤在CFRP层板任意两个铺层之间的层间界面扩展的断裂韧度稳定值。提出的以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，可利用CFRP层板两种不同预定分层界面的I型分层断裂韧度稳定值的测试结果，预测任意分层界面角度情形下的CFRP层板层间界面I型分层的断裂韧度稳定值，因此可以显著缩短试验周期，降低试验成本。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，包括以下步骤：
步骤1，根据ASTM标准D5528-13设计并制造具有预定0°/0°和0°/90°分层界面的CFRP层板的双悬臂梁(DCB)试验件；
步骤2，根据ASTM标准D5528-13的规定，对上述两种试验件开展静力载荷作用下的I型分层试验；
步骤3，采用基于修正梁理论的数据处理方法，计算两种试验件I型分层扩展过程中的断裂韧度数据，并分别确定两种试验件在分层扩展达到稳定扩展阶段时的断裂韧度稳定值GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)；
步骤4，将GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)数据带入一个以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，获得90°铺层层内损伤及其引起的纤维桥联所消耗的断裂功G(90°)；
步骤5，以上述获得的G(90°)和GI,Prop(0°,0°)数据为基本参数，利用上述以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，对任意分层界面角度情形下的CFRP层板层间界面I型分层的断裂韧度稳定值进行预测。
进一步地，CFRP层板是采用T800碳纤维/环氧树脂(CYCOM X850)的单向带预浸料制成的。
进一步地，步骤1设计、制造的具有预定0°/0°和0°/90°分层界面CFRP层板的DCB试验件分别具有如下两种铺层顺序：0°12//0°12和(0°/+45°/-45°/90°)3//(0°/+45°/-45°/90°)3。
进一步地，步骤3采用的计算I型分层断裂韧度的方法是一种基于修正梁理论的方法。根据修正梁理论，I型分层的断裂韧度GIc可表示为：
其中，P是试验中的加载载荷，d是加载端的位移，B是试验件的宽度，a是分层长度。Δ是分层长度修正量，采用如下基于实测柔度(C＝d/P)的分层长度修正方法获得。对试验测得的C1/3～a数据进行线性拟合，拟合直线在横轴上有一个负截距，以这个截距的绝对值作为分层长度的修正量Δ。
进一步地，步骤3获得两种试验件在分层扩展达到稳定扩展阶段时断裂韧度稳定值GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)的方法是采用如下式所示的R曲线理论公式，对分层扩展过程中获得的断裂韧度数据进行拟合得到的。
其中，<>表示一种特殊的运算法则：GIc(Δa)表示随分层扩展长度变化的I型分层断裂韧度，lbz表示纤维桥接区域的长度，GI,Prop是I型分层断裂韧度稳定值，GI,Init是I型分层断裂韧度初始值。Δa表示分层扩展长度，为实测分层长度a与预埋分层长度a0之差，即Δa＝a-a0。
进一步地，所述步骤4采用的一个以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式具有如下形式：
GI,Prop(θ1,θ2)＝GI,Prop(0°,0°)+G(90°)[sin(|θ1|)+sin(|θ2|)]
其中，GI,Prop(θ1,θ2)是具有任意分层界面角度θ1/θ2的层间界面I型分层的断裂韧度稳定值。θ1和θ2分别表示临近分层界面的上、下两个铺层的铺层角。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的针对现有研究无法预测CFRP层板任意铺层间分层界面I型分层断裂韧度稳定值的问题，提出了一个便于工程应用的预测方法。
(2)本发明可通过对有限的两种具有不同预定分层界面的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的试验测试，预测任意分层界面情形下的CFRP层板层间界面I型分层的断裂韧度稳定值，故可显著减少试验测试的工作量，降低试验成本。
(3)本发明的预测结果已经过试验验证，预测值与试验测得值有较好的一致性，表明本发明预测方法具有较好的适用性。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是DCB试验件的构型和几何尺寸(单位：mm)；
图3是试验装置的示意图；
图4是具有不同分层界面的试验件I型分层断裂韧度数据和R曲线拟合结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，具体实现步骤如下：
步骤1：根据ASTM标准D5528-13设计并制造两种具有预定0°/0°和0°/90°分层界面的基本参数确定试验件。试验件分别编号为DCB-1和DCB-2，铺层顺序分别为0°12//0°12和(0°/+45°/-45°/90°)3//(0°/+45°/-45°/90°)3。
此外，另制备四种具有不同预定分层界面的方法验证试验件，四种试验件分别具有+22.5°/-22.5°、+45°/-45°、90°/90°、0°/45°分层界面，并编号为DCB-3、DCB-4、DCB-5、DCB-6。四种试验件铺层顺序分别为：(+22.5°/-22.5°)6//(+22.5°/-22.5°)6、(-45°/0°/+45°)2s//(+45°/0°/-45°)2s、(90°/0°10/90°)//(90°/0°10/90°)、(-45°/0°/45°)s(45°/0°/-45°)s//(0°/45°/-45°)s(0°/-45°/45°)s。
试验件的构型和几何尺寸如图2所示。制备DCB试验件的CFRP层板采用T800碳纤维/环氧树脂(CYCOM X850)的单向带预浸料，按照设计的铺层顺序堆叠后固化得到。
步骤2：参照ASTM标准D5528-13，对上述两种分别具有预定0°/0°和0°/90°分层界面的基本参数确定试验件DCB-1和DCB-2分别开展I型静力分层扩展试验，图3为试验装置示意图。采用位移加载模式开展静力下的DCB试验，加载速率控制为0.1mm/min以保证分层缓慢、稳定地扩展。试验过程中实时地记录分层长度a，及其对应的载荷P和位移d。
同样地，对四种方法验证试验件DCB-3～DCB-6按照上述操作，开展I型静力分层扩展试验，并记录试验数据。
步骤3：采用基于修正梁理论的数据处理方法，确定两种基本参数确定试验件DCB-1和DCB-2在I型分层扩展过程中的断裂韧度数据。根据修正梁理论，I型分层的断裂韧度GIc可表示为：
其中，P是试验中的加载载荷，d是加载端的位移，B是试验件的宽度，a是分层长度。Δ是分层长度修正量，采用基于实测柔度(C＝d/P)的分层长度修正方法获得。具体实施方法是对试验测得的C1/3～a数据进行线性拟合，拟合直线在横轴上有一个负截距，以这个截距的绝对值作为分层长度的修正量Δ。
采用上述数据处理方法获得上述两种基本参数确定试验件DCB-1和DCB-2，以及四种方法验证试验件DCB-3～DCB-6，在I型分层扩展过程中的断裂韧度数据，绘于图4中。进一步采用下式所示的R曲线理论公式，对分层扩展过程中获得的断裂韧度数据进行拟合，拟合的曲线如图4所示。
其中，<>表示一种特殊的运算法则：GIc(Δa)表示随分层扩展长度变化的I型分层断裂韧度，lbz表示纤维桥接区域的长度，GI,Prop是I型分层断裂韧度稳定值，GI,Init是I型分层断裂韧度初始值。Δa表示分层扩展长度，为实测分层长度a与预埋分层长度a0之差，即Δa＝a-a0，其中a0＝40mm。
利用曲线拟合，获得两种基本参数确定试验件DCB-1和DCB-2在分层扩展达到稳定扩展阶段时的断裂韧度稳定值GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)，其中GI,Prop(0°,0°)＝407.6J/m2，GI,Prop(0°,90°)＝784.0J/m2。采用相同方法，获得四种方法验证试验件DCB-3～DCB-6在I型分层扩展达到稳定阶段时的断裂韧度稳定值。上述具有不同分层界面的试验件I型分层的断裂韧度稳定值如表1所示。
表1不同DCB试验件断裂韧度稳定值的预测结果和试验结果
步骤4：将表1中的GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)数据带入下式所示的一个以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，获得90°铺层层内损伤及其引起的纤维桥联所消耗的断裂功G(90°)，计算结果为：G(90°)＝376.4J/m2。
GI,Prop(θ1,θ2)＝GI,Prop(0°,0°)+G(90°)[sin(|θ1|)+sin(|θ2|)]
其中，GI,Prop(θ1,θ2)是具有任意分层界面角度θ1/θ2的层间界面I型分层的断裂韧度稳定值。θ1和θ2分别表示临近分层界面的上、下两个铺层的铺层角。
步骤5，以上述获得的G(90°)和GI,Prop(0°,0°)数据为基本参数，利用上述以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，对试验件DCB-3～DCB-6在I型分层扩展过程中的断裂韧度稳定值进行预测，预测结果如表1所示。
可见理论预测结果与试验结果之间的误差位于试验结果的三倍标准差的区间内，这表明预测结果与试验结果吻合较好。验证了本发明提出的一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法的适用性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明披露的技术范围内，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。
Claims (6)
1.一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，根据ASTM标准D5528-13设计并制造具有预定0°/0°和0°/90°分层界面的CFRP层板双悬臂梁(DCB)试验件；
步骤2，根据ASTM标准D5528-13的规定，对上述两种试验件开展静力载荷作用下的I型分层试验；
步骤3，采用基于修正梁理论的数据处理方法，确定上述两种试验件I型分层扩展过程中的断裂韧度数据，并分别确定两种试验件在分层扩展达到稳定扩展阶段时的断裂韧度稳定值GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)；
步骤4，将GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)数据带入一个以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，获得90°铺层层内损伤及其引起的纤维桥联所消耗的断裂功G(90°)；
步骤5，利用获得的G(90°)和GI,Prop(0°,0°)数据，以及上述以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式，对任意分层界面角度情形下CFRP层板I型分层的断裂韧度稳定值进行预测。
2.根据权利要求1所述的一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，其特征在于：CFRP层板是采用T800碳纤维/环氧树脂(CYCOM X850)的单向带预浸料制成的。
3.根据权利要求1所述的一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，其特征在于：步骤1设计、制造的具有预定0°/0°和0°/90°分层界面的CFRP层板DCB试验件分别具有如下两种铺层顺序：0°12//0°12和(0°/+45°/-45°/90°)3//(0°/+45°/-45°/90°)3。
4.根据权利要求1所述的一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，其特征在于：步骤3采用的计算I型分层断裂韧度的方法是一种基于修正梁理论的方法，根据修正梁理论，I型分层的断裂韧度GIc可表示为：
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其中，P是试验中的加载载荷，d是加载端的位移，B是试验件的宽度，a是分层长度，Δ是分层长度修正量，采用基于实测柔度(C＝d/P)的分层长度修正方法获得，具体实施方法是，对试验测得的C1/3～a数据进行线性拟合，以拟合直线在横轴上截距的绝对值作为分层长度的修正量Δ。
5.根据权利要求1所述的一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，其特征在于：步骤3确定的两种试验件在分层扩展达到稳定扩展阶段时断裂韧度稳定值GI,Prop(0°,0°)和GI,Prop(0°,90°)的方法是采用如下式所示的R曲线理论公式，对分层扩展过程中获得的断裂韧度数据进行拟合：
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1
其中，< >表示一种特殊的运算法则：GIc(Δa)表示随分层扩展长度变化的I型分层断裂韧度，lbz表示纤维桥接区域的长度，GI,Prop是I型分层断裂韧度稳定值，GI,Init是I型分层断裂韧度初始值。Δa表示分层扩展长度，为实测分层长度a与预埋分层长度a0之差，即Δa＝a-a0。
6.根据权利要求1所述的一种CFRP层板任意层间界面I型分层断裂韧度稳定值的预测方法，其特征在于：所述步骤4采用的一个以分层界面角度为自变量的CFRP层板I型分层断裂韧度稳定值的理论公式具有如下形式：
GI,Prop(θ1,θ2)＝GI,Prop(0°,0°)+G(90°)[sin(|θ1|)+sin(|θ2|)]
其中，GI,Prop(θ1,θ2)是具有任意分层界面角度θ1/θ2的层间界面I型分层的断裂韧度稳定值，θ1和θ2分别表示临近分层界面的上、下两个铺层的铺层角。
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