CN110618028B - 一种纤维增强复合材料性能退化的拉伸微应力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强复合材料性能退化的拉伸微应力检测方法，包括如下步骤：1）将被检测的复合材料试件施加微小的拉伸载荷,引起复合材料试件的应力和弹性变形；所述的拉伸载荷包括均布拉伸载荷、集中拉伸载荷；2）在拉伸载荷下检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱，根据褶皱出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息；3）在拉伸载荷下检测复合材料试件垂直于拉伸方向的面内位移是否出现波纹，根据波纹出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息。本发明可快速对结构性能和服役行为做出有效预测评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维增强复合材料性能退化的检测方法领域。
背景技术
纤维增强复合材料结构具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、破坏时不易产生碎片等显著优点而广泛的应用于航空航天、汽车舰艇、建筑工程、高端运动器材等领域，其结构性能好、质量轻，在减轻自重的同时还能改善抗震性能，今后将更广泛的取代钢材等传统金属工业材料，具有广阔的发展前景。
纤维增强型复合材料结构的加工工艺比较复杂，在加工过程中，由于环境温度、湿度、纤维预应力、配方、固化温度等因素的变化，造成纤维增强复合材料制品存在不可避免的缺陷，如基体孔洞、纤维褶皱，层间粘合不良、分层等。
复合材料的缺陷无损检测对复合材料结构的安全服役、剩余强度预测、寿命预测等具有重要意义。以往的缺陷检测方法主要着重于检测并识别复合材料中存在的缺陷如孔洞的具体形状和尺寸，并由此进一步分析评价缺陷对材料性能的影响。但由于复合材料结构内部缺陷种类多，缺陷特征尺寸分散、缺陷危害严重程度不一，追踪单个缺陷的具体位置、形状和尺寸，对复合材料结构整体行为响应分析和寿命预测的作用十分有限。
如何整体的预测并评价复合材料结构缺陷对结构服役行为和性能的影响，是现有技术中亟需解决的一个问题。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种新的纤维增强复合材料性能退化的拉伸微应力检测方法。
一种纤维增强复合材料性能退化的拉伸微应力检测方法，包括如下步骤：
1）将被检测的复合材料试件放置在拉伸试验装置上，施加微小的拉伸载荷, 引起复合材料试件的应力和弹性变形而不会破坏，释放拉伸载荷后复合材料试件可回复到原始状态；所述的拉伸载荷包括均布拉伸载荷、集中拉伸载荷；
2）在拉伸载荷下检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱，根据褶皱出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息；
3）在拉伸载荷下检测复合材料试件垂直于拉伸方向的面内位移是否出现波纹，根据波纹出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息。
步骤2）通过光学方法检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱。
步骤3）通过光学方法检测复合材料试件的面内位移是否出现波纹。
所述的光学方法为测量指定区域内全场位移的方法，包括激光干涉测量、散斑干涉测量、光栅投影测量。
所述的光学方法为测量指定区域内全场位移的方法，包括激光干涉测量、散斑干涉测量、光栅投影测量。
所述的复合材料试件包括复合材料层合板、复合材料梁、复合材料发动机叶片、复合材料螺旋桨、复合材料机翼。
所述的纤维增强复合材料包括人工纤维和天然纤维，所述的人工纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维。
所述的褶皱幅度和密度指复合材料试件的离面位移在局部出现凸凹，其凸凹的高度和形状分布。
所述的波纹幅度和密度指复合材料试件的面内位移在局部出现扭曲，其扭曲的程度和形状分布。
所述的ζ值为复合材料试件沿纤维方向的弹性常数与均值的标准差，所述的关联随机正态分布模型参数ζ值如式（1）所示：
式中，E f 表示沿纤维方向的弹性常数， E f0 表示弹性常数的平均值，ζ表示标准偏差。
本发明的有益效果是，不再逐个检测复合材料中可能存在的缺陷的具体形貌和尺寸，而是通过拉伸加载直接检测复合材料沿纤维主方向的宏观力学性能退化的整体分布情况，从而快速对结构性能和服役行为做出有效预测评价。
附图说明
图1是应用本发明对纤维增强复合材料层合板进行检测的示意图；
图2是层合板的离面位移场无褶皱和有褶皱的对比；
图3是层合板的面内位移场无波纹和有波纹的对比；
图4是层合板沿拉伸方向的位移不受性能退化的影响。
具体实施方式
对于纤维增强复合材料，沿纤维主方向的弹性性能退化是最为严重的一种影响方式。不同类型的缺陷均有可能造成纤维主方向弹性模量和强度降低。本发明发现：当复合材料中某些局部区域沿纤维主方向宏观弹性性能退化时，复合材料的弹性模量出现分散性，该分散性可近似表征为随机正态分布模型。由于复合材料各向异性的性质，在给定的拉伸载荷下，弹性模量分散性导致复合材料试件的离面位移产生特殊的褶皱，且褶皱的幅度和密度与上述随机正态分布模型参数有直接关联。同时，在给定的拉伸载荷下，弹性模量分散性导致复合材料试件垂直于拉伸方向的面内位移产生特殊的波纹，且波纹的幅度和密度与上述随机正态分布模型参数有直接关联。而沿拉伸方向的位移则不受性能退化的影响，不会产生褶皱或波纹。因此在拉伸载荷下，只有检测其离面位移或垂直于拉伸方向的面内位移，而非通常的沿拉伸方向的位移，才能得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能退化的分布统计信息。
在实际检测中，对具体试件施加特定的拉伸载荷，可通过光学检测方法检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱以及垂直于拉伸方向的面内位移是否出现波纹。根据褶皱出现的程度和密度，以及波纹出现的程度和密度，可得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息。所施加的载荷很小，在结构上产生的应力很低，产生的变形为弹性变形，检测完成后释放载荷，应力和变形也随即释放，不会对结构本身造成损伤。
根据上述发现，我们提出一种纤维增强复合材料性能退化的拉伸微应力检测方法，包括如下步骤：
1）将被检测的复合材料试件放置在拉伸试验装置上，施加微小的拉伸载荷, 引起复合材料试件的应力和弹性变形而不会破坏，释放拉伸载荷后复合材料试件可回复到原始状态；所述的拉伸载荷包括均布拉伸载荷、集中拉伸载荷；
2）在拉伸载荷下检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱，根据褶皱出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息；
3）在拉伸载荷下检测复合材料试件垂直于拉伸方向的面内位移是否出现波纹，根据波纹出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息。
步骤2）通过光学方法检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱。
所述的光学方法为测量指定区域内全场位移的方法，包括激光干涉测量、散斑干涉测量、光栅投影测量。
步骤3）通过光学方法检测复合材料试件的面内位移是否出现波纹。
所述的光学方法为测量指定区域内全场位移的方法，包括激光干涉测量、散斑干涉测量、光栅投影测量。
所述的复合材料试件包括复合材料层合板、复合材料梁、复合材料发动机叶片、复合材料螺旋桨、复合材料机翼。
所述的纤维增强复合材料包括人工纤维和天然纤维，所述的人工纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维。
所述的褶皱幅度和密度指复合材料试件的离面位移在局部出现凸凹，其凸凹的高度和形状分布。
所述的波纹幅度和密度指复合材料试件的面内位移在局部出现扭曲，其扭曲的程度和形状分布。
所述的ζ值为复合材料试件沿纤维方向的弹性常数与均值的标准差，所述的关联随机正态分布模型参数ζ值如下式所示：
式中，E f 表示沿纤维方向的弹性常数， E f0 表示弹性常数的平均值，ζ表示标准偏差。
实施例
当纤维主方向宏观弹性性能降低时，在特定载荷下结构会表现出一种非常规的特殊响应模式。以复合材料层合板为例，如图1所示，该特定载荷为拉伸载荷σ 0 。
层合板沿纤维主方向强度受损时，对该层合板施加拉伸载荷σ 0 ，该层合板的离面位移会产生褶皱，褶皱越密，褶皱幅度越大，说明沿纤维主方向强度受损越大。同时，该层合板垂直于拉伸方向的面内位移会产生波纹，波纹越密，波纹幅度越大，说明沿纤维主方向强度受损越大。为了便于比较，图2给出了离面位移对比，图2中ζ值为与纤维主方向有关的弹性常数与其均值的标准差。图3给出了垂直于拉伸方向的面内位移对比。ζ=0表示理想材料，无任何性能退化。ζ值越大，说明缺陷对力学性能的影响越严重。
当复合材料层合板纤维主方向强度受损时，对该层合板施加拉伸载荷，通过检测其离面位移，根据其褶皱的密度和幅度，进而获知复合材料层合板沿纤维主方向的弹性性能降低和强度受损程度。也可以通过检测其垂直于拉伸方向的面内位移，根据其波纹的密度和幅度，进而获知复合材料层合板沿纤维主方向的弹性性能降低和强度受损程度。
图4给出了复合材料层合板沿拉伸方向的位移，不管沿纤维方向的材料性能是否退化，沿拉伸载荷方向的位移均保持平滑一致，因此无法通过检测沿拉伸载荷方向的位移了解复合材料层合板性能是否退化。
所述的拉伸载荷包括均布拉伸载荷、集中拉伸载荷。
上述产生的褶皱和波纹是一种弹性响应，因此只需要对结构施加很小的拉伸载荷，并通过光学检测方法得到褶皱和波纹的全场分布情况。该方法在结构中产生的应力很低，检测结束后释放载荷，不会对结构造成残余应力或损伤。
常规力学性能测试时，施加拉伸载荷，则观测记录试件与之对应的沿拉伸方向的位移或变形，并以此评价试件的力学性能。本发明与常规拉伸检测的不同之处在于：本发明发现由于复合材料的各向异性性质，当其沿纤维方向的力学性能退化时，在拉伸载荷下，复合材料试件的离面位移产生特殊的褶皱响应，垂直于拉伸方向的面内位移产生特殊的波纹响应，而沿拉伸方向的面内位移则不受性能退化的影响，不会产生特殊褶皱或波纹。因此在给定的拉伸载荷下，通过测量离面位移出现褶皱的情况，或者测量垂直于拉伸方向的面内位移出现波纹的情况，可以获得其沿纤维方向力学性能退化的分布统计信息，具有出乎意料的效果。
Claims (4)
1.一种纤维增强复合材料性能退化的拉伸微应力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将被检测的复合材料试件放置在拉伸试验装置上，施加微小的拉伸载荷, 引起复合材料试件的应力和弹性变形而不会破坏，释放拉伸载荷后复合材料试件可回复到原始状态；所述的拉伸载荷包括均布拉伸载荷、集中拉伸载荷；
2）在拉伸载荷下检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱，根据褶皱出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息；所述的ζ值为复合材料试件沿纤维方向的弹性常数与均值的标准差，所述的关联随机正态分布模型参数ζ值如式（1）所示：
式中，E f 表示沿纤维方向的弹性常数， E f0 表示弹性常数的平均值，ζ表示标准偏差；
3）在拉伸载荷下检测复合材料试件垂直于拉伸方向的面内位移是否出现波纹，根据波纹出现的幅度和密度，关联随机正态分布模型参数ζ值，得到该复合材料试件沿纤维主方向力学性能的分布统计信息；
步骤2）通过光学方法检测复合材料试件的离面位移是否出现褶皱；
步骤3）通过光学方法检测复合材料试件的面内位移是否出现波纹；
所述的褶皱幅度和密度指复合材料试件的离面位移在局部出现凸凹，其凸凹的高度和形状分布；所述的波纹幅度和密度指复合材料试件的面内位移在局部出现扭曲，其扭曲的程度和形状分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光学方法为测量指定区域内全场位移的方法，包括激光干涉测量、散斑干涉测量、光栅投影测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的复合材料试件包括复合材料层合板、复合材料梁、复合材料发动机叶片、复合材料螺旋桨、复合材料机翼。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纤维增强复合材料包括人工纤维和天然纤维，所述的人工纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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