CN107621419A - 一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法，属于复合材料强度设计技术领域。所述试验方法结合积木式试验元件级试验展开，包括以下步骤：步骤一、规划多种不同的AML值的试验件并获取多个复合材料挤压强度设计许用值的影响因子及挤压强度基本值SBASE；所述合材料挤压强度设计许用值的影响因子包括：工艺批次影响因子、湿热环境影响因子、直径‑厚度比影响因子、宽度‑直径影响因子、孔沉头影响因子、双剪影响因子、垫片影响因子、拧紧力矩影响因子；步骤二、利用上述得到的复合材料挤压强度设计许用值的影响因子计算挤压强度设计许用值；本发明与考虑影响因子更全面，具有试验件数量少，试验周期短，所获挤压设计许用值更接近工程实际。
Description
技术领域
本发明属于复合材料强度设计技术领域，具体涉及一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法。
背景技术
现有获得复合材料挤压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挤压强度设计许用值的试验就是要将图10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11表明：角度层百分比越高，冲击后挤压强度和挤压强度越高。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法，用于解决以往试验方法所获得的复合材料挤压设计试验件数量多，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问题。
本发明的技术方案：一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法，所述试验方法结合积木式试验元件级试验展开，包括以下步骤：
步骤一、规划多种不同的AML值的试验件并获取多个复合材料挤压强度设计许用值的影响因子及挤压强度基本值SBASE；
所述合材料挤压强度设计许用值的影响因子包括：工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径-厚度比影响因子CD/t、宽度-直径影响因子CW/D、孔沉头影响因子CCSK、双剪影响因子CDS、垫片影响因子CSHIM、拧紧力矩影响因子CTORQ；
步骤二、利用上述得到的复合材料挤压强度设计许用值的影响因子计算挤压强度设计许用值SBearing-ALL；
SBearing-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CD/t*CW/D*CCSK*CDS*CSHIM*CTORQ[με]。
优选地，所述步骤一中，将试验件规划成三种AML值不同的第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组；
其第一试验件组的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、直径-厚度比影响因子CD/t、宽度-直径影响因子CW/D、孔沉头影响因子CCSK、双剪影响因子CDS、垫片影响因子CSHIM、拧紧力矩影响因子CTORQ及挤压强度基本值SBASE。
优选地，所述步骤一中，所述工艺批次影响因子CBB采用基准值简化采样B18的试验矩阵形式获取，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，工艺批次影响因子CBB为：
其中，σB基准值/RTD代表室温干态状态多个批次固化工艺的B基准值；
σ平均/RTD代表室温干态状态的平均失效应变。
优选地，所述步骤一中，湿热环境影响因子CEN采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的低温干态CTD、室温干态RTD和高温湿态ETW的多个试验件，并将多个试验件分别均分成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；得到所述湿热环境影响因子CEN计算公式：
CEN＝Si/SRTD
其中，Si代表高温湿态或低温干态平均失效应变；
SRTD代表室温干态平均失效应变。
优选地，所述步骤一中，所述直径-厚度比影响因子CD/t及宽度-直径比影响因子CW/D分别采用多个同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验；得到所述直径-厚度比影响因子CD/t计算公式：
CD/t＝(SD/t/S1.42)
其中，SD/t代表不同直径比的试验件平均失效应变；
S1.42代表直径-厚度比为1.42试验件平均失效应变；
所述宽度-直径比影响因子CW/D计算公式：
CW/D＝(SW/D/S6)
其中，SW/D代表宽度-直径比不同的试验件挤压失效应变；
S6代表宽度-直径比为6的试验件平均挤压失效应变。
优选地，所述步骤一中，所述孔沉头影响因子CCSK采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，得到所述孔沉头影响因子CCSK计算公式为：
CCSK＝(SCSK/S0)
其中，SCSK代表孔沉头深度不同的试验件平均挤压失效应变；
S0代表非孔沉头试验件平均挤压失效应变。
优选地，所述步骤一中，所述双剪影响因子CDS采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验；得到所述双剪影响因子CDS计算公式为：
CDS/i＝(SDS/i/SSS/i)
其中，SDS/i代表i状态双剪试验件平均挤压失效应变；
SSS/i代表i状态单剪试验件平均挤压失效应变；
i代表AML为-28，0，25。
优选地，所述步骤一中，所述拧紧力矩影响因子CTORQ采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，得到所述拧紧力矩影响因子CTORQ计算公式为：
CTORQ＝(S100/S50)
其中，S100代表100％拧紧力矩平均压缩失效应变；
S50代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变。
优选地，所述步骤一中，所述垫片影响因子CSHIM采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验；得到所述拧紧力矩影响因子CSHIM计算公式为：
CSHIM＝(SSHIM/S0)
其中，SSHIM代表不同厚度垫板试验件平均挤压失效应变；
S0代表无垫板试验件平均挤压失效应变。
优选地，所述步骤一中，所述挤压强度基本值SBASE采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，将多个试验件分别进行室温干态RTD试验获取。
本发明技术方案的有益技术效果：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，所获挤压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挤压强度设计许用值提供了新的可行试验方法。
附图说明
图1为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的工艺批次影响因子与AML关系曲线示意图；
图2为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的湿热环境影响因子与AML关系曲线示意图；
图3为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的直径-厚度比影响因子曲线示意图；
图4为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的宽度-直径比影响因子曲线示意图；
图5为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的孔沉头影响因子与沉头深度百分比关系曲线示意图；
图6为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的双剪影响因子与AML的关系曲线示意图；
图7为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的垫片影响因子曲线示意图；
图8为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的拧紧力矩影响因子曲线示意图；
图9为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的挤压强度基本值与AML关系示意图；
图10为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的结构设计中的典型毯式曲线示意图；
图11为本发明一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法的一优选实施例的结构设计中的典型的AML曲线示意图。
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。
一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法，该试验方法结合积木式试验元件级试验展开，试验夹具和试验矩阵按ASTM5961/D5961进行，试验件尺寸分“1.5in×5.5in”和“1.5in×8.25in”两种规格。
获取挤压设计许用值的过程分为二个阶段；
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挤压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-厚度比影响因子CD/t、宽度-直径影响因子CW/D、孔沉头影响因子CCSK、双剪影响因子CDS、垫片影响因子CSHIM、拧紧力矩影响因子CTORQ和挤压强度基本值SBASE。
将试验件规划成三种AML值不同的第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组；
其第一试验件组的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；每组试验件分别进行试验从而获得工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径-厚度比影响因子CD/t、宽度-直径影响因子CW/D、孔沉头影响因子CCSK、双剪影响因子CDS、垫片影响因子CSHIM、拧紧力矩影响因子CTORQ及挤压强度基本值SBASE。
1)工艺批次影响因子CBB
工艺批次影响因子CBB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；且每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，18个试验件；
在湿热环境(采用室温干态条件试验)、几何参数、铺层顺序等条件完全相同情况下，工艺批次影响因子CBB用公式1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；
其工艺批次影响因子CBB与AML的关系详见图1。
2)湿热环境影响因子CEN
湿热环境影响因子采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的低温干态CTD、室温干态RTD和高温湿态ETW试验件各6件(共三组)；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：
CEN＝Si/SRTD 公式2
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；
湿热环境影响因子CEN与AML的关系详见图2，本实施例获取设计许用值时CEN＝Min(Si/SRTD)。
3)直径-厚度比影响因子CD/t；
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件各6件，共6组；且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到直径-厚度比影响因子CD/t：
CD/t＝(SD/t/S1.42) 公式3
其中，SD/t代表直径-厚度比比为0.89、1.07、1.78、2.13、2.85试验件平均失效应变；
S1.42代表直径-厚度比为1.42试验件平均失效应变；
其直径-厚度比影响因子CD/t曲线图详见图3。
4)宽度-直径比影响因子CW/D
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件各6件，共4组；且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到宽度-直径比影响因子CW/D：
CW/D＝(SW/D/S6) 公式4
SW/D代表宽度-直径比为3、4、5试验件平均挤压失效应变；
S6代表宽度-直径比为6试验件平均挤压失效应变；
其宽度-直径比影响因子CW/D曲线图详见图4。
5)孔沉头影响因子CCSK
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件各6件，共5组；且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到孔沉头影响因子CCSK：
CCSK＝(SCSK/S0) 公式5
SCSK代表孔沉头深度20％、40％、60％、80％试验件平均挤压失效应变(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挤压失效应变；
其孔沉头影响因子CCSK与孔沉头百分比的关系详见图5。
6)双剪影响因子
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件各6件，共6组；且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到双剪影响因子CDS：
CDS/i＝(SDS/i/SSS/i) 公式6
SDS/i代表i状态双剪试验件平均挤压失效应变(i代表AML为-28，0，25)；
SSS/i代表i状态单剪试验件平均挤压失效应变(i代表AML为-28，0，25)；
其双剪影响因子CDS与AML的关系详见图6。
7)垫片影响因子CSHIM
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件各6件，共5组；且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到垫片影响因子CSHIM：
CSHIM＝(SSHIM/S0) 公式7
SSHIM代表垫片厚度0.022in、0.030in、0.050in、0.080in试验件平均挤压失效应变；
S0代表无垫片试验件平均挤压失效应变；
其垫片影响因子CSHIM曲线图详见图7。
8)拧紧力矩影响因子CTORQ
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件各6件，共5组；且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到拧紧力矩影响因子CTORQ：
CTORQ＝(S100/S50) 公式8
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)；
其拧紧力矩影响因子CTORQ曲线图详见图8。
9)挤压强度基本值SBASE
规划同一材料批次、固化工艺、几何参数室温干态(RTD)试验件各6件，共3组；用于得到挤压强度基本值SBASE。
其挤压强度基本值SBASE与AML的关系详见图9。
本实施例试验件基本构型如下：
第二阶段：利用上述得到的复合材料挤压强度设计许用值的影响因子计算挤压强度设计许用值SBearing-ALL；
SBearing-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CD/t*CW/D*CCSK*CDS*CSHIM*CTORQ[με] 公式9
本发明试验考虑因素全面周全，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-厚度比、宽度-直径比、孔沉头深度、双剪载荷、垫片厚度、拧紧力矩对复合材料挤压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挤压强度基本值。该试验方法得出公式9所示的9个因子曲线图后，每一个AML值均对应唯一的挤压强度设计许用值。
根据本发明所述试验方法结合公式9及图1至图9，所得的AML分别为-28、0和25厚度为0.1757in、孔径为1/4in、直径-厚度比为1.42、宽度-直径比为6、沉头深度为60％、拧紧力矩为50％、单剪、垫片厚度为0.030in复合材料层合板挤压强度设计许用值，如下表所示：
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述试验方法结合积木式试验元件级试验展开，包括以下步骤：
步骤一、规划多种不同的AML值的试验件并获取多个复合材料挤压强度设计许用值的影响因子及挤压强度基本值SBASE；
所述合材料挤压强度设计许用值的影响因子包括：工艺批次影响因子CBB、湿热环境影响因子CEN、直径-厚度比影响因子CD/t、宽度-直径影响因子CW/D、孔沉头影响因子CCSK、双剪影响因子CDS、垫片影响因子CSHIM、拧紧力矩影响因子CTORQ；
步骤二、利用上述得到的复合材料挤压强度设计许用值的影响因子计算挤压强度设计许用值SBearing-ALL；
SBearing-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CD/t*CW/D*CCSK*CDS*CSHIM*CTORQ[με]。
2.如权利要求1所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，将试验件规划成三种AML值不同的第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组；
其第一试验件组的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、直径-厚度比影响因子CD/t、宽度-直径影响因子CW/D、孔沉头影响因子CCSK、双剪影响因子CDS、垫片影响因子CSHIM、拧紧力矩影响因子CTORQ及挤压强度基本值SBASE。
3.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述工艺批次影响因子CBB采用基准值简化采样B18的试验矩阵形式获取，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，工艺批次影响因子CBB为：
其中，σB基准值/RTD代表室温干态状态多个批次固化工艺的B基准值；
σ平均/RTD代表室温干态状态的平均失效应变。
4.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，湿热环境影响因子CEN采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的低温干态CTD、室温干态RTD和高温湿态ETW的多个试验件，并将多个试验件分别均分成三组，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；得到所述湿热环境影响因子CEN计算公式：
CEN＝Si/SRTD
其中，Si代表高温湿态或低温干态平均失效应变；
SRTD代表室温干态平均失效应变。
5.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述直径-厚度比影响因子CD/t及宽度-直径比影响因子CW/D分别采用多个同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验；得到所述直径-厚度比影响因子CD/t计算公式：
CD/t＝(SD/t/S1.42)
其中，SD/t代表不同直径比的试验件平均失效应变；
S1.42代表直径-厚度比为1.42试验件平均失效应变；
所述宽度-直径比影响因子CW/D计算公式：
CW/D＝(SW/D/S6)
其中，SW/D代表宽度-直径比不同的试验件挤压失效应变；
S6代表宽度-直径比为6的试验件平均挤压失效应变。
6.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述孔沉头影响因子CCSK采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，得到所述孔沉头影响因子CCSK计算公式为：
CCSK＝(SCSK/S0)
其中，SCSK代表孔沉头深度不同的试验件平均挤压失效应变；
S0代表非孔沉头试验件平均挤压失效应变。
7.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述双剪影响因子CDS采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验；得到所述双剪影响因子CDS计算公式为：
CDS/i＝(SDS/i/SSS/i)
其中，SDS/i代表i状态双剪试验件平均挤压失效应变；
SSS/i代表i状态单剪试验件平均挤压失效应变；
i代表AML为-28，0，25。
8.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述拧紧力矩影响因子CTORQ采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验，得到所述拧紧力矩影响因子CTORQ计算公式为：
CTORQ＝(S100/S50)
其中，S100代表100％拧紧力矩平均压缩失效应变；
S50代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变。
9.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述垫片影响因子CSHIM采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，并将多个试验件均分成多组，且每组的试验件均进行室温干态RTD试验；得到所述拧紧力矩影响因子CSHIM计算公式为：
CSHIM＝(SSHIM/S0)
其中，SSHIM代表不同厚度垫板试验件平均挤压失效应变；
S0代表无垫板试验件平均挤压失效应变。
10.如权利要求2所述的复合材料挤压强度设计许用值试验方法，其特征在于：所述步骤一中，所述挤压强度基本值SBASE采用同一材料批次、固化工艺、几何参数的室温干态RTD的多个试验件，将多个试验件分别进行室温干态RTD试验获取。
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| 强宝平 编著: "《飞机结构强度地面试验》", 30 November 2014, 航空工业出版社 * |
| 黄金昌 等: "复合材料压损设计许用值试验研究", 《第7届中国航空学会青年科技论文集》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109388869A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-02-26 | 陕西飞机工业（集团）有限公司 | 一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法 |
| CN109446724A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-03-08 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 复合材料拉脱强度设计许用值的试验方法 |
| CN109446725A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-03-08 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 复合材料层间剪切强度设计许用值的试验方法 |
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