CN108871971B - 树脂基三维正交机织复合材料弯曲疲劳应力水平设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料弯曲疲劳实验中应力水平的设置方法，其包括：将声发射技术应用于准静态弯曲实验，得到临界载荷水平，判定弯曲疲劳实验中所涉及的最小与最大应力水平。本发明中应用声发射技术与显微镜观察技术确定复合材料试样准静态弯曲过程的临界载荷水平，从而判定试样弯曲疲劳过程中的最小与最大应力水平，以进一步科学地测试复合材料试样的弯曲疲劳性能。
Description
技术领域
本发明属于复合材料检测技术领域，具体涉及一种树脂基三维正交机织复合材料弯曲疲劳应力水平的设置方法。
背景技术
复合材料在使用过程中受到拉伸、弯曲、压缩、剪切等不同形式的作用，疲劳破坏是三维纺织复合材料实际应用中的主要受力损伤形式，直接影响材料的寿命。近年来，不少学者从各个方面对纺织结构复合材料的疲劳性能进行了研究，该研究对材料的使用寿命等方面提供了重要的理论依据。弯曲疲劳实验可模拟复合材料的实际受力条件，该实验是指材料在交变应力的作用下受力损伤直至破坏，从而测试复合材料的弯曲疲劳性能，实验过程更加接近复合材料的实际受力过程，更能真实地展现复合材料的受力情况，因此疲劳特性研究对于复合材料整体力学性能的探索具有重要的意义。
复合材料进行弯曲疲劳实验之前需要设置多个不同的参数，例如应力水平、应力比、最大准静态弯曲应力等。应力水平是重要的设置参数之一，该参数涉及到能否正确地测试复合材料试样的弯曲疲劳性能。大量文献中提到复合材料试样在不同的应力水平下进行弯曲疲劳实验，但对于实验中所涉及到的应力水平的来源却不得而知。科学地设置应力水平是准确地测试复合材料弯曲疲劳性能的前提。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合材料弯曲疲劳实验中应力水平的设置方法，可用于科学地设置复合材料弯曲疲劳实验中的应力水平，以便准确地测试试样的弯曲疲劳性能。
基于此，本发明提供一种复合材料弯曲疲劳实验中应力水平的设置方法，其包括：将声发射技术应用于准静态弯曲实验，得到临界载荷水平，判定弯曲疲劳实验中所涉及的最小与最大应力水平。
所述方法进一步包括，
第一步，通过声发射技术实时监测复合材料准静态弯曲过程；
第二步，获取声发射表征参数随时间变化图及载荷随时间变化图；
第三步，表征参数变化的位置所对应的载荷与最大载荷的比值定义为载荷水平，根据载荷水平可判定弯曲疲劳实验的应力水平。
所述声发射技术的表征参数主要包括计数和能量。
所述上述三步中，复合材料试样的临界载荷水平的确定过程可分为三个阶段，选取三个具有代表性不同损伤阶段的载荷，其与最大载荷的比值定义为载荷水平，通过高清数字显微镜观察试样加载至三个载荷水平时上、下、侧三个表面的损伤情况，从而确定材料的临界载荷水平。
有益的技术效果
本发明通过声发射技术与准静态弯曲实验结合所得的临界载荷水平，可用于判定弯曲疲劳实验中所涉及的最小与最大应力水平，从而科学地进行复合材料的弯曲疲劳测试。
附图说明
图1a和1b三维正交玻璃纤维机织物的结构图与实物图；
图2a和2b声发射表征参数分布情况与载荷随时间变化曲线；
图3试样在不同载荷水平下的损伤变化情况。
具体实施方式
一种复合材料弯曲疲劳实验中应力水平的设置方法，其包括：将声发射技术应用于准静态弯曲实验，得到临界载荷水平，判定弯曲疲劳实验中所涉及的最小与最大应力水平。
所述方法进一步包括，
第一步，通过声发射技术实时监测复合材料准静态弯曲过程；
第二步，获取声发射表征参数随时间变化图及载荷随时间变化图；
第三步，表征参数变化的位置所对应的载荷与最大载荷的比值定义为载荷水平，根据载荷水平可判定弯曲疲劳实验的应力水平。
所述声发射技术的表征参数主要包括计数和能量。
所述上述三步中，复合材料试样的临界载荷水平的确定过程可分为三个阶段，选取三个具有代表性不同损伤阶段的载荷，其与最大载荷的比值定义为载荷水平，通过高清数字显微镜观察试样加载至三个载荷水平时上、下、侧三个表面的损伤情况，从而确定材料的临界载荷水平。
本发明所提供的应力水平的判定方法由声发射技术实时监测复合材料准静态弯曲过程所得，复合材料在受力初期会产生微裂纹，这些微裂纹是探究材料损伤机理不可缺少的依据，微裂纹形成和发展过程可借助声发射技术进行探测。
以下采用附图来详细说明本发明的实施方式及分析结果，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明所采用的复合材料试样由如下方法制备而成，以三维正交玻璃纤维机织物为增强体，同向铺放三层，以环氧树脂和固化剂制备的混合胶液为基体，采用真空辅助(VARTM)成型工艺，在真空负压下导入到模具中经加热固化成型，脱膜处理，采用水切割的方法参照ASTM D790的方法制备准静态弯曲实验和弯曲疲劳实验所用的试样，试样平均长度为200mm，平均宽度为20mm，平均厚度为6.64mm。
本发明所采用的三维正交玻璃纤维机织物的结构与实物如图1所示，织物、环氧树脂、固化剂的性能分别如表1与表2所示，环氧树脂和固化剂的添加质量比例优选为100∶30。
表1 织物性能
表2 基体性能
本发明采用的声发射信号处理方法为表征参数分析法，所选用的表征参数为计数与能量。通过声发射参数分布图及载荷变化图确定试样的临界载荷水平。声发射技术实时监测0°方向复合材料试样的准静态弯曲实验的力学性能变化过程如图2a和2b所示。
图2a和2b是复合材料试样准静态弯曲过程中声发射计数、能量及载荷随时间变化的历程图，其中右图是试样整个准静态弯曲过程的声发射参数分布图。结合试样整个准静态弯曲过程的声发射参数分布情况及载荷曲线形态可以看出，复合材料试样准静态弯曲加载受力过程可分为三个阶段(第I阶段0-149.66S，第II阶段149.66-167.93S，第III阶段167.93-528.00S)。第I阶段试样发生微弱损伤，且该阶段的信号强度弱于整个弯曲过程中的信号强度，但该阶段的信号变化可反映材料初期的内部损伤情况，因此将右图圈出的位置放大一定倍数后可得到左图中声发射参数随时间变化情况。选取三个具有代表性不同损伤阶段的载荷，其与最大载荷的比值定义为载荷水平，三个位置的载荷水平已在左图标出。为了确定复合材料试样的临界损伤，通过高清数字显微镜观察试样加载至三个载荷水平时上、下、侧三个表面的损伤情况，如图3所示。
由图3可以看出，在初始载荷水平(50％)下，试样受力后其上、下、侧表面均出现微小裂纹，该载荷水平下基体开始发生损伤；且当载荷水平低于初始载荷水平时，试样未发生损伤。试样加载至最大载荷水平(90％)时，断裂模式初步形成，纤维/基体界面开始脱粘，纤维开始发生损伤。当载荷水平低于最大载荷水平时，基体对纤维的保护作用未减弱，试样内的损伤较小；当载荷水平超过最大载荷水平时，进入破坏性损伤阶段，基体对纤维的保护作用开始逐渐减弱，纤维损伤不断积累，整体试样在很短的时间内断裂失效。根据试样在初始载荷水平与最大载荷水平下的损伤情况，将这两个载荷水平(50％，90％)定义为临界载荷水平，并且这两个载荷水平将应用于确定复合材料弯曲疲劳实验中的应力水平。
在不同应力水平下测试复合材料试样的疲劳性能，应力水平定义为一个循环过程中最大应力与试样在准静态弯曲实验中最大应力的比值，根据应力水平的计算公式，应力水平也可理解为疲劳最大载荷与准静态最大载荷的比值，因此载荷水平也可表示应力水平。由声发射技术实时监测复合材料试样准静态弯曲实验可得该试样的临界载荷水平分别为50％与90％，试样进行弯曲疲劳实验所受的最大载荷达到准静态最大载荷的50％时，试样开始萌生裂纹，多次循环后试样断裂失效；而试样在弯曲疲劳实验中最大载荷达到准静态最大载荷的90％时，试样即进入破坏性损伤阶段，在循环次数很小的情况下即发生失效，因此试样进行弯曲疲劳测试时其最大载荷不可超过准静态最大载荷的90％，即最大应力水平不能超过90％。弯曲疲劳实验时将最小应力水平设置为50％，最大应力水平设置为90％。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.一种树脂基三维正交机织复合材料弯曲疲劳实验中应力水平的设置方法，其特征在于，包括：将声发射技术应用于准静态弯曲实验，得到临界载荷水平，将临界载荷水平作为弯曲疲劳实验中所涉及的最小与最大应力水平；
所述方法具体包括，
第一步，通过声发射技术实时监测复合材料准静态弯曲过程；
第二步，获取声发射表征参数随时间变化图及载荷随时间变化图；
第三步，表征参数变化的位置所对应的载荷与准静态弯曲最大载荷的比值定义为临界载荷水平，将临界载荷水平作为弯曲疲劳实验的应力水平。
2.如权利要求1所述的复合材料弯曲疲劳实验中应力水平的设置方法，其特征在于：所述声发射技术的表征参数主要包括计数和能量。
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