CN109614679A - 复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法。该方法的步骤为：首先制备复合材料层合板大开口试验件构型；其次采用落锤冲击试验方法进行损伤引入，再对引入勉强可见裂纹损伤的大开口试验件开展拉伸/压缩剩余强度试验，获得拉伸/压缩破坏载荷，最后计算出试验件在破坏载荷下开口边缘处最大应变，最终将应变数据拟合，得到设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI。本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，通过试验获得不同开口直径、铺层比例、环境下剩余强度，经试验数据分析，得到复合材料大开口边缘冲击设计许用值。解决试验件尺寸大、试验难实施等问题，且通过与分析方法的对比验证。

Description

复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法

技术领域

本发明的实施例涉及一种复合材料结构设计与试验方法，尤其是一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法。

背景技术

结构设计中初始设计许用值的确定，通常通过大量积木式试件级试验，考虑材料批次分散性和环境影响，来表征基本的材料无缺口静力性能、一般缺口敏感性、环境因子、材料工作极限及层压板疲劳响应，常用毯式曲线法或AML曲线法，得到不同铺层的均衡对称层合板的设计许用值曲线。现有的开口许用值试验方法通常采用ASTM D5766层压板开孔拉伸试验和ASTM D6484层合板开孔压缩方法，得到复合材料开口拉伸强度和复合材料开口压缩强度，通过试验确定与材料体系、开口尺寸、铺层、环境、分散性等相关的许用值。

考虑复合材料的各向异性特征和复合材料结构的开口敏感性，且冲击损伤对复合材料结构性能的影响较大，冲击后剩余强度试验分析方法已成为测定复合材料结构冲击损伤容限许用值的一个必要步骤，冲击后压缩强度许用值也是复合材料结构设计最重要参数之一。

目前在复合材料结构设计中仅考虑面外冲击损失后的许用值，国际通用冲击后压缩(CAI)试验规范为ASTM D7137，主要测定复合材料层合板面外冲击剩余强度，在试验件中心位置实施面外冲击。

复合材料层合板开口区易受到边缘冲击损伤，引起强度下降，但在一般情况下没有考虑边缘冲击后的强度分析方法和与之配套的许用值，且没有现成可用于确定边缘冲击后开口区设计许用值的试验方法。

且对于复合材料大开口结构(如机翼下壁板油箱开口区)来说，得到设计许用值，需考虑材料、铺层、孔径、环境、损伤等众多因素，如采用常规方法在层合板中心开口，需要的试验件尺寸较大，试验量较多且复杂，试验成本高。而试验中需在孔径边缘引入冲击损伤，试验实施难度大。

发明内容

本公开的实施例提供了一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值的确定方法，已解决现有技术的上述以及其他潜在问题。

根据本公开的实施例的一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备不同层合板厚度、铺层比例的复合材料层合板大开口试验件构型；

步骤2：通过落锤冲击试验、大开口拉伸试验、大开口压缩试验方法和有限元分析方法获得各种影响参数因子，得到复合材料层合板大开口边缘冲击设计许用值表达式(1)和(2)，求出复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI，公式如下：

式中，ε_TAEI为大开口边缘冲击后拉伸应变许用值、ε_CAEI为大开边缘冲击后压缩应变许用值，为拉伸应变B基准值，为压缩应变B基准值，为压缩曲率因子，为拉伸曲率因子，为压缩厚度影响因子，为拉伸厚度影响因子，为拉伸铺层比例影响因子，为压缩铺层比例影响因子，为压缩环境影响因子，为拉伸环境影响因子。

进一步，所述步骤1中所述复合材料层合板大开口试验件构型包括矩形主体，所述矩形主体位于中间位置上侧边设有呈弧形的上开口，下侧边上设有呈弧形的下开口，且所述上开口与所述下开口对称设置。

进一步，呈弧形的所述上开口和下开口的直径为100mm-300mm，所述上开口的中心点和下开口中心点之间的宽度e,宽度e的尺寸约为100mm-150mm。

进一步，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1：采用落锤冲击试验方法，得到复合材料层合板大开口处冲击能量与勉强可见裂纹损伤的关系，得到BVID目视裂纹损伤，并获得不同层合板厚度的BVID冲击能量；

步骤2.2：再对引入勉强可见裂纹损伤的大开口试验件开展拉伸/压缩剩余强度试验，获得拉伸/压缩破坏载荷；

步骤2.3：基于步骤3.2得到的试验破坏载荷，在Abaqus有限元软件中建立边缘开口试验件细节有限元模型，计算出试验件破坏时开口边缘处最大应变，得到不同开口直径的复合材料层合板大开口边缘冲击拉伸/压缩许用值与开口直径的关系，并得到曲率影响因子C_R；

步骤2.4：再开展不同材料批次、工艺炉次冲击后试验件的拉伸试验和压缩试验，选择基准试验，获得拉伸应变/压缩应变B基准值；

步骤2.5：重复步骤2.2和步骤2.3，获得厚度影响因子C_t和铺层比例影响因子C_layup；

步骤2.6：选择基准厚度的复合材料层合板大开口试验件进行湿热处理，在湿热环境中满足吸湿平衡后，重复步骤2.2和步骤2.3，获得湿热环境影响因子C_en1＝F_ETW/F_RTD；对于拉伸试验，建议考虑低温干态环境，获得低温干态环境影响因子C_en2＝F_CTD/F_RTD；则环境影响因子C_en取C_en1与C_en2中较小值；

步骤2.7：将上述步骤获得拉伸应变/压缩应变B基准值、厚度影响因子C_t、曲率影响因子C_R、环境影响因子C_en、铺层比例影响因子C_layup，带入得到复合材料层合板大开口边缘冲击设计许用值表达式，求出复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI。

进一步，所述步骤2.1中的所述冲击点位置为呈弧形的所述上开口和下开口的中心位置。

进一步，所述步骤2.3中的具体步骤为：

步骤2.31：在Abaqus有限元软件中建立边缘开口试验件细节的FEM模型，采用3Dshell单元，孔边网格尺寸为1mm；

步骤2.32：定义加载工况，载荷为试验破坏载荷，提交计算；

步骤2.33：根据计算结果，提取边缘孔边最大应变ε_i；

步骤2.34选取D₀＝100mm试验件最大应变为基准应变ε₀，拟合得到开口直径与最大应变关系曲线y＝a*D+b，其中，a，b为拟合常数，从而得到曲率影响因子C_R，，公式如下：

ε_i/ε₀＝a*D_i/D₀+b，

则C_R＝a*D_i/D₀+b，

式中，D_i为任意大开口试验件。

一种压缩试验用的测试夹具，该测试夹具包括底座、左侧向支架、右侧向支架、上挡板和下挡板和压台；

其中，所述底座上端面上设滑道，所述滑道内设有滑动螺栓，所述左侧向支架和右侧向支架对称设置在所述底座上，并通过紧固件与所述滑动螺栓固接，所述左侧向支架和右侧向支架的对称端面均设置为U型槽，所述上挡板和下挡板设置在所述U型槽内，所述压台设置在所述上挡板的顶部。

进一步，所述上挡板包括第一挡板和第二挡板；所述下挡板包括第三挡板和第四挡板；

其中，所述第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板上均设有用于导出导线的导线孔。

本实施例的有益效果是：由于采用上述技术方案，提案中设计出一种新型的试验件构型，通过试验获得不同开口直径、铺层比例、环境下剩余强度，经试验数据分析，得到复合材料大开口边缘冲击设计许用值。拟解决试验件尺寸大、试验难实施等问题，且通过与分析方法的对比验证，得到于分析方法匹配且适用于工程的复合材料大开口结构设计许用值。

附图说明：

图1为本发明复合材料层合板大开口边缘冲击试验件及冲击点示意图。

图2为本发明中试验件在夹具中压缩试验加载的能量裂纹图。

图3为本发明中试验件在夹具中压缩试验加载支持的结构示意图。

图4为本发明中试验件在夹具中压缩试验加载支持的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法，其该方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据试验要求制备不同层合板厚度、铺层比例的复合材料层合板大开口试验件构型；

步骤2：通过落锤冲击试验、大开口拉伸试验、大开口压缩试验方法和有限元分析方法获得各种影响参数因子，得到复合材料层合板大开口边缘冲击设计许用值表达式(1)和(2)，求出复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI，公式如下：

式中，ε_TAEI为大开口边缘冲击后拉伸应变许用值、ε_CAEI为大开边缘冲击后压缩应变许用值，为拉伸应变B基准值，为压缩应变B基准值，为压缩曲率因子，为拉伸曲率因子，为压缩厚度影响因子，为拉伸厚度影响因子，为拉伸铺层比例影响因子，为压缩铺层比例影响因子，为压缩环境影响因子，为拉伸环境影响因子。

所述步骤1中所述复合材料层合板大开口试验件构型包括矩形主体，所述矩形主体位于中间位置上侧边设有呈弧形的上开口，下侧边上设有呈弧形的下开口，且所述上开口与所述下开口对称设置。

呈弧形的所述上开口和下开口的直径为100mm-300mm，所述上开口的中心点和下开口中心点之间的宽度e,宽度e的尺寸约为100mm-150mm。

所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1：采用落锤冲击试验方法，得到复合材料层合板大开口处冲击能量与勉强可见裂纹损伤的关系，得到BVID目视裂纹损伤，并获得不同层合板厚度的BVID冲击能量；

步骤2.2：再对引入勉强可见裂纹损伤的大开口试验件开展拉伸/压缩剩余强度试验，获得拉伸/压缩破坏载荷；

步骤2.3：基于步骤2.2得到的试验破坏载荷，在Abaqus有限元软件中建立边缘开口试验件细节有限元模型，计算出试验件破坏时开口边缘处最大应变，得到不同开口直径的复合材料层合板大开口边缘冲击拉伸/压缩许用值与开口直径的关系，并得到曲率影响因子C_R；

步骤2.4：再开展不同材料批次、工艺炉次冲击后试验件的拉伸试验和压缩试验，选择基准试验，获得拉伸应变/压缩应变B基准值；

步骤2.5：重复步骤2.2和步骤2.3，获得厚度影响因子C_t和铺层比例影响因子C_layup；

步骤2.6：选择基准厚度的复合材料层合板大开口试验件进行湿热处理，在湿热环境中满足吸湿平衡后，重复步骤2.2和步骤2.3，获得湿热环境影响因子C_en＝F_ETW/F_RTD；对于拉伸试验，建议考虑低温干态环境，获得低温干态环境影响因子C_en＝F_CTD/F_RTD；则环境影响因子C_en取C_en1与C_en2中较小值；

步骤2.7：将上述步骤获得拉伸应变/压缩应变B基准值、厚度影响因子C_t、曲率影响因子C_R、环境影响因子C_en、铺层比例影响因子C_layup，带入得到复合材料层合板大开口边缘冲击设计许用值表达式，求出复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI。

所述步骤2.1中的所述冲击点位置为呈弧形的所述上开口和下开口的中心位置。

所述步骤2.3中的具体步骤为：

步骤2.31：在Abaqus有限元软件中建立边缘开口试验件细节的FEM模型，采用3Dshell单元，孔边网格尺寸为1mm；

步骤2.32：定义加载工况，载荷为试验破坏载荷，提交计算；

步骤2.33：根据计算结果，提取边缘孔边最大应变ε_i；

步骤2.34选取D₀＝100mm试验件最大应变为基准应变ε₀，拟合得到开口直径与最大应变关系曲线y＝a*D+b，其中，a，b为拟合常数，从而得到曲率影响因子C_R，，公式如下：

ε_i/ε₀＝a*D_i/D₀+b，

则C_R＝a*D_i/D₀+b，

式中，D_i为任意大开口试验件。

一种压缩试验用的测试夹具，该测试夹具包括底座、左侧向支架、右侧向支架、上挡板和下挡板和压台；

其中，所述底座上端面上设滑道，所述滑道内设有滑动螺栓，所述左侧向支架和右侧向支架对称设置在所述底座上，并通过紧固件与所述滑动螺栓固接，所述左侧向支架和右侧向支架的对称端面均设置为U型槽，所述上挡板和下挡板设置在所述U型槽内，所述压台设置在所述上挡板的顶部。

所述上挡板包括第一挡板和第二挡板；所述下挡板包括第三挡板和第四挡板；

其中，所述第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板上均设有用于导出导线的导线孔。

本实施例的有益效果是：由于采用上述技术方案，提案中设计出一种新型的试验件构型，通过试验获得不同开口直径、铺层比例、环境下剩余强度，经试验数据分析，得到复合材料大开口边缘冲击设计许用值。拟解决试验件尺寸大、试验难实施等问题，且通过与分析方法的对比验证，得到于分析方法匹配且适用于工程的复合材料大开口结构设计许用值。

实施例：

一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法：对于铺层比例为[40/50/10]，试验件厚度为7.64mm的试验件，开口直径考虑从100mm到150mm，设计出开口压缩试验件，其中开口直径为150mm的试验件如2所示如下；

通过边缘冲击能量调查试验得到在勉强可见裂纹长度的冲击能量为13J；

通过压缩试验得到不同孔径下的压缩破坏载荷，并利用有限元法获得孔边最大应变，拟合并计算得到曲率因子C_R＝1.124-0.001*D。

通过不同材料批次、层合板厚度、铺层比例、湿热环境下压缩试验，得到[60/30/10]铺层7.64mm后的复合材料开口压缩应变B基准值取5000μ_ε，C_t为厚度影响因子为1，C_layup为铺层比例影响因子1.12，C_en为环境影响因子0.9，计算开口孔径D为150mm下的压缩应变许用值为5000×(1.124-0.001×150)×1.12×0.9＝4833μ_ε.

上述仅是本发明的集中实施方式，应当指出，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的。

Claims (8)

1.一种复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计许用值确定方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备不同层合板厚度、铺层比例的复合材料层合板大开口试验件构型；

步骤2：通过落锤冲击试验、大开口拉伸试验、大开口压缩试验方法和有限元分析方法获得各种影响参数因子，代入复合材料层合板大开口边缘冲击设计许用值表达式(1)和(2)，求出复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI，公式如下：

式中，ε_TAEI为大开口边缘冲击后拉伸应变许用值、ε_CAEI为大开边缘冲击后压缩应变许用值，为拉伸应变B基准值，为压缩应变B基准值，为压缩曲率因子，为拉伸曲率因子，为压缩厚度影响因子，为拉伸厚度影响因子，为拉伸铺层比例影响因子，为压缩铺层比例影响因子，为压缩环境影响因子，为拉伸环境影响因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中：所述复合材料层合板大开口试验件构型包括矩形主体，所述矩形主体位于中间位置上侧边设有呈弧形的上开口，下侧边上设有呈弧形的下开口，且所述上开口与所述下开口对称设置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，呈弧形的所述上开口和下开口的直径为100mm-400mm，所述上开口的中心点和下开口中心点之间的宽度e,宽度e的尺寸为100mm-150mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1：采用落锤冲击试验方法，得到复合材料层合板大开口处冲击能量与勉强可见裂纹损伤的关系，得到BVID目视裂纹损伤，并获得不同层合板厚度的BVID冲击能量；

步骤2.2：再对引入勉强可见裂纹损伤的大开口试验件开展拉伸/压缩剩余强度试验，获得拉伸/压缩破坏载荷；

步骤2.3：基于步骤2.2得到的试验破坏载荷，在Abaqus有限元软件中建立边缘开口试验件细节有限元模型，计算出试验件破坏时开口边缘处最大应变，得到不同开口直径的复合材料层合板大开口边缘冲击拉伸/压缩许用值与开口直径的关系，并得到曲率影响因子C_R；

步骤2.4：再开展不同材料批次、工艺炉次冲击后试验件的拉伸试验和压缩试验，选择基准试验，获得拉伸应变/压缩应变B基准值；

步骤2.5：重复步骤2.2和步骤2.3，获得厚度影响因子C_t和铺层比例影响因子C_layup；

步骤2.6：选择基准厚度的复合材料层合板大开口试验件进行湿热处理，在湿热环境中满足吸湿平衡后，重复步骤2.2和步骤2.3，获得湿热环境影响因子C_en＝F_ETW/F_RTD；对于拉伸试验，建议考虑低温干态环境，获得低温干态环境影响因子C_en＝F_CTD/F_RTD；则环境影响因子C_en取C_en1与C_en2中较小值；

步骤2.7：将步骤2.1-步骤2.6获得拉伸应变/压缩应变B基准值、厚度影响因子C_t、曲率影响因子C_R、环境影响因子C_en、铺层比例影响因子C_layup，代入复合材料层合板大开口边缘冲击设计许用值表达式，求出复合材料层合板大开口受边缘冲击后设计拉伸应变许用值ε_TAEI和压缩应变许用值ε_CAEI。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2.1中的所述冲击点位置为呈弧形的所述上开口和下开口的中心位置。

6.根据权利要求4所述的的方法，其特征在于，所述步骤2.3中的具体步骤为：

步骤2.31：在Abaqus有限元软件中建立边缘开口试验件细节的FEM模型，采用3Dshell单元，孔边网格尺寸为1mm；

步骤2.32：定义加载工况，载荷为试验破坏载荷，提交计算；

步骤2.33：根据计算结果，提取边缘孔边最大应变ε_i；

步骤2.34选取D₀＝100mm试验件最大应变为基准应变ε₀，对试验数据采用最小二乘法拟合得到开口直径与最大应变关系曲线y＝a*D+b，其中，a，b为拟合常数，从而得到曲率影响因子C_R，，公式如下：

ε_i/ε₀＝a*D_i/D₀+b，

则C_R＝a*D_i/D₀+b，

式中，D_i为任意大开口试验件。

7.一种如权利要求2中压缩试验用的测试夹具，其特征在于，该测试夹具包括底座、左侧向支架、右侧向支架、上挡板和下挡板和压台；

其中，所述底座上端面上设滑道，所述滑道内设有滑动螺栓，所述左侧向支架和右侧向支架对称设置在所述底座上，并通过紧固件与所述滑动螺栓固接，所述左侧向支架和右侧向支架的对称端面均设置为U型槽，所述上挡板和下挡板设置在所述U型槽内，所述压台设置在所述上挡板的顶部。

8.根据权利要求7所述的测试夹具，其特征在于，所述上挡板包括第一挡板和第二挡板；所述下挡板包括第三挡板和第四挡板；

其中，所述第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板上均设有用于导出导线的导线孔。