CN112733324B - 一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法 - Google Patents

一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，包括以下步骤：(1)开展不同应力比和不同纤维桥接作用下的复合材料层板I型疲劳分层试验；(2)利用柔度法确定疲劳分层阻力Gcf(a)；(3)计算分层扩展驱动力ΔGeq，将疲劳分层扩展驱动力与阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量；(4)建立采用ΔGeq/Gcf(a)作为控制参量的疲劳分层模型，采用该模型对试验数据进行拟合，获得模型参数C和m和γ；(5)采用参数确定的疲劳分层模型预测疲劳分层扩展速率。本发明利用通过有限试验数据建立的复合材料疲劳分层模型预测其它应力比和纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率，可显著缩短试验周期，降低试验费用。

Description

一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩 展行为预测方法
技术领域
本发明涉及复合材料层板疲劳分层扩展速率预测领域，具体涉及一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法。
背景技术
复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀及抗疲劳性能优异等特点，被广泛应用于航空航天领域内。复合材料层合板由于在厚度方向上没有增强，层间性能远低于面内性能。同时由于铺层间热膨胀系数的各向异性及泊松比的不匹配，在结构的变厚度区域、自由边和孔边等几何不连续处会产生高层间应力集中区。这种较弱的层间性能承受高的层间应力会导致复合材料层板在服役过程中极易出现分层损伤。分层是复合材料结构中最主要和最为常见的破坏形式之一。复合材料结构力学性能对分层的敏感性是许多先进复合材料结构设计时的主要关注点之一。
除了主要的分层失效外，复合材料层板结构在疲劳载荷下还将产生基体开裂和纤维拨出与断裂等失效行为。如此复杂的失效形式和损伤扩展到不规律性给疲劳分层的研究带来了极大的困难。因此，以往的复合材料设计通常基于损伤无扩展和静力覆盖疲劳概念。但是这种概念导致结构设计上的保守，无法充分发挥先进复合材料在减重上的潜能。因此，损伤扩展的概念被逐渐用于复合材料的设计，这就需要设计师深入掌握复合材料的失效机理并建立有效的预测模型。
研究者针对复合材料疲劳分层扩展行为开展了大量研究，并提出了基于断裂力学的各种方法来表征疲劳分层扩展行为。其中Paris模型及其变化形式被成功运用于不同情况下的疲劳分层行为表征，但是这种模型中的指数参数较大，施加载荷的微小变化将造成所预测疲劳分层扩展速率的较大变化。因此，不适用于实际复合材料结构的设计中。为降低Paris模型中指数的大小，研究者提出了归一化的疲劳分层模型，但是这种归一化方法的内在机理尚不清楚，造成了现有疲劳分层模型在运用时的局限性。此外，纤维桥接是复合材料层板分层扩展中的重要现象，与应力比一起，都是分层扩展行为的重要影响因素。需要建立一种新的疲劳分层模型来考虑应力比和纤维桥接的影响，预测其他应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法。提出的新型疲劳分层模型能够有效地考虑应力比和纤维桥接的影响。利用不同应力比和特定纤维桥接作用下的有限试验数据可以确定疲劳分层模型中的关键参数，可预测其它应力比和纤维桥接作用程度下的疲劳分层扩展速率，因此可以显著缩短试验周期，降低试验费用。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，包括以下步骤：
步骤1，根据ASTM标准D5528-13对复合材料层板进行拉伸载荷下的静力和疲劳分层扩展试验，分别获得静力层间断裂韧性、不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展试验数据；
步骤2，利用柔度法确定疲劳分层阻力Gcf(a)；
步骤3，计算分层扩展驱动力ΔGeq，将扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量；
步骤4，建立采用ΔGeq/Gcf(a)作为控制参量的新型疲劳分层模型，采用该模型对步骤1中获得的典型试验数据进行拟合，获得模型参数C、m和γ；
步骤5，采用参数确定的疲劳分层模型预测其他应力比和纤维桥接作用情况下的疲劳分层扩展速率。
进一步的，所述铺层顺序为(+45/-45/06)S//(-45/+45/06)S的复合材料层板是采用T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂体系的预浸料按照顺序铺设后，经过固化炉固化和采用金刚石刀具按照设计尺寸切割而成。
进一步的，所述步骤2采用柔度法确定疲劳分层阻力是通过比较具有相同长度的疲劳与静力分层试样的柔度实现的。
进一步的，所述步骤3中分层扩展驱动力采用修正梁理论公式计算，所需实验数据包括分层长度和对应的载荷与位移。其计算公式为：
Figure BDA0002841670130000021
其中，γ是一个材料常数，Gmax是疲劳载荷下的最大应变能释放率，Gmin是疲劳载荷下的最小应变能释放率，计算公式为：
Figure BDA0002841670130000022
其中，P、δ、a和B分别为载荷、施加位移、分层长度和试样宽度。Δ为分层长度的修正量，用来考虑试样在裂尖位置由于材料各向异性而附加的位移和转动。
进一步的，所述步骤4中采用扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量，基于该控制参量建立的新型疲劳分层模型为：
Figure BDA0002841670130000023
Figure BDA0002841670130000024
其中，ΔGeq为分层扩展驱动力，Gcf(a)是裂纹长度为a时的疲劳分层阻力，N是疲劳载荷的循环次数，
Figure BDA0002841670130000025
是疲劳分层扩展速率，C、m和γ与材料相关的参数。
进一步的，所述步骤4中新型疲劳分层模型中拟合参数C、m和γ是通过对不同应力比和不同纤维桥接作用下的典型疲劳试验数据进行最小二乘拟合获得的。
进一步的，所述步骤5通过参数确定的新型疲劳分层模型可以预测任何其他应力比和纤维桥接作用程度下疲劳分层扩展速率。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、针对现有归一化模型缺乏物理依据的情况，提出从扩展驱动力和分层阻力角度对疲劳分层扩展行为表征参量进行构建，该思想具有通用性。
2、针对现有疲劳分层模型没有综合考虑应力比和纤维桥接作用的影响，提出了考虑这两个因素的简洁模型，可实现不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率的预测。
3、本发明利用特定应力比和纤维桥接作用的疲劳分层扩展数据确定新模型中的待定参数，通过参数确定的模型可预测任意其它应力比和纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率，可显著缩短测试工作量，降低试验费用。
4、本发明的预测结果已经过试验验证，预测结果与试验结果有较好的一致性，因此本发明预测方法的精度较高。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是拉伸载荷下I型静力和疲劳分层试验加载方案，(a)DCB试验装置，(b)试样加载时观察到分层后缘的桥接纤维；
图3是T700/QY9511层合板在应力比0.1、0.3、0.5和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图；
图4是T700/QY9511层合板采用疲劳分层新模型对试验数据拟合获得的曲线；
图5是铺层顺序为[016//016]的M30SC/DT120层合板在三种应力比0.1、0.5、0.7和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图；
图6是采用疲劳分层新模型对铺层顺序为[016//016]的M30SC/DT120层合板试验数据拟合获得的曲线；
图7是铺层顺序为[(±45/06)S//(±45/06)S]的M30SC/DT120层合板在三种应力比0.1、0.5、0.7和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图；
图8是采用疲劳分层新模型对铺层顺序为[(±45/06)S//(±45/06)S]的M30SC/DT120层合板试验数据拟合获得的曲线；
图9是M30SC/DT120层合板在应力比0.2和0.23下的模型预测结果与实验数据比较。
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:
本发明一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，具体实现步骤如下：
步骤1：采用T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂体系的单向预浸料，按照铺层顺序(+45/-45/06)S//(-45/+45/06)S对预浸料进行铺设然后放入固化炉进行固化，采用金刚石刀具切割复合材料板获得设计尺寸的分层试样。参照ASTM标准对分层试样开展拉伸载荷下的I型静力分层扩展试验，获得层间断裂韧度数据。针对疲劳载荷情况，开展应力比为0.1、0.3、0.5和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展行为，获得一系列的疲劳分层扩展速率da/dN和最大应变能释放率Gmax的试验数据。如图3所示，在双对数坐标中绘制lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图。
步骤2：采用柔度法确定疲劳分层阻力则是通过比较两种试样的柔度实现，具体实现过程为：首先计算具有相同分层长度的静力与疲劳分层试样柔度。如果两者相等，则可以认为层间断裂韧度与疲劳分层阻力在数值上相等。否则，认为从静力分层数据中寻找与疲劳分层试样柔度相等的数据点，该数据点分层长度对应的层间断裂韧度被认为是疲劳分层试样的分层阻力。在试验过程中，选取若干典型的分层长度，采用上述方法获得不同分层长度下的疲劳分层阻力。
步骤3：分层扩展驱动力ΔGeq的计算公式为：
Figure BDA0002841670130000041
其中，γ是一个材料常数，可以通过拟合疲劳数据的试误差法来确定，Gmax是疲劳载荷下的最大应变能释放率，Gmin是疲劳载荷下的最小应变能释放率。应变能释放率采用修正梁理论公式计算，具体计算公式为：
Figure BDA0002841670130000042
其中，P、δ、a和B分别为试验过程的载荷、施加位移、分层长度和试样宽度。Δ为分层长度的修正量，用于考虑试样在裂尖位置由于材料各向异性而附加的位移和转动。具体计算方法是：通过试验测得的试样柔度(C＝d/P)，拟合C1/3～a数据，拟合直线在横轴上截距的绝对值即为分层长度的修正量Δ；
步骤4：建立采用ΔGeq/Gcf(a)作为控制参量的新型疲劳分层模型，新模型的具体表达式为：
Figure BDA0002841670130000043
Figure BDA0002841670130000044
其中ΔGeq为分层扩展驱动力，Gcf(a)是裂纹长度为a时的疲劳分层阻力，N是疲劳载荷的循环次数，
Figure BDA0002841670130000045
是疲劳分层扩展速率，C、m和γ是与材料相关的参数。在双对数坐标系下绘制通过试验所得的应力比为0.1、0.3、0.5和不同纤维桥接作用下的lg(da/dN)-lg(Δgeq)数据图。对所有数据点进行最小二乘的线性拟合，得到模型中参数C、m和γ的具体值。拟合曲线如图4所示。观察到三种不同应力比的所有疲劳数据可用单一曲线表征，新模型可以很好地考虑应力比和纤维桥接对疲劳分层扩展行为的影响。
步骤5：采用两种界面(0°/0°和45°/45°)的M30SC/DT120层合板在三种应力比(0.1、0.5和0.7)下的疲劳数据，进一步验证模型的适用性。图5是铺层顺序为[016//016]的M30SC/DT120层合板lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图，图6为对应的lg(da/dN)-lg(Δgeq)数据图。图7是铺层顺序为[(±45/06)S//(±45/06)S]的M30SC/DT120层合板lg(da/dN)-lg(Gmax)数据图，图8为对应的lg(da/dN)-lg(Δgeq)数据图。图6和图8表明采用新模型均可以得到单一的表征曲线。对铺层顺序为[(±45/06)S//(±45/06)S]的M30SC/DT120层合板，通过应力比0.1、0.5和0.7下的疲劳数据确定新模型中的材料参数C、m和γ。然后预测其他应力比0.2和0.23下的疲劳分层扩展行为，预测结果如图9所示。预测结果与试验结果吻合较好，说明采用本发明所提出的疲劳分层模型可以很好地预测其它应力比和纤维桥接作用下的疲劳分层扩展速率。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种考虑应力比和纤维桥接影响的复合材料层板疲劳分层扩展行为预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，根据ASTM标准D5528-13对复合材料层板进行拉伸载荷下的静力和疲劳分层扩展试验，分别获得静力层间断裂韧性、不同应力比和不同纤维桥接作用下的疲劳分层扩展试验数据；
所述复合材料层板的铺层顺序为(+45/-45/06)S//(-45/+45/06)S，其中双斜杠//表示聚四氟乙烯薄膜的位置，聚四氟乙烯薄膜用于形成预制裂纹；复合材料层板采用T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂体系的预浸料按照顺序铺设后，经过固化炉固化和采用金刚石刀具按照设计尺寸切割而成；
步骤2，利用柔度法确定疲劳分层阻力Gcf(a)，这是通过比较静力与疲劳试样的柔度实现的；
步骤3，计算分层扩展驱动力ΔGeq，将扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量；
所述步骤3中分层扩展驱动力采用修正梁理论公式计算，所需实验数据包括分层长度和对应的载荷与位移；其计算公式为：
Figure FDA0004133149750000011
其中，γ是一个材料常数，可以通过拟合疲劳数据的试误差法来确定，Gmax是疲劳载荷下的最大应变能释放率，Gmin是疲劳载荷下的最小应变能释放率，计算公式为：
Figure FDA0004133149750000012
其中，P、δ、a和B分别为载荷、施加位移、分层长度和试样宽度；Δ为分层长度的修正量，用来考虑试样在裂尖位置由于材料各向异性而附加的位移和转动；
步骤4，建立采用ΔGeq/Gcf(a)作为控制参量的新型疲劳分层模型，采用该模型对步骤1中获得的典型试验数据进行拟合，获得模型参数C、m和γ；
所述步骤4中采用扩展驱动力与疲劳分层阻力的比值作为疲劳分层扩展行为的控制参量，基于该控制参量建立的新型疲劳分层模型为：
Figure FDA0004133149750000013
Figure FDA0004133149750000014
其中，ΔGeq为分层扩展驱动力，Gcf(a)是裂纹长度为a时的疲劳分层阻力，N是疲劳载荷的循环次数，
Figure FDA0004133149750000015
是疲劳分层扩展速率，C、m和γ与材料相关的参数；
所述步骤4中新型疲劳分层模型中拟合参数C、m和γ是通过对不同应力比和不同纤维桥接作用下的典型试验数据进行最小二乘拟合获得的；
步骤5，采用参数确定的疲劳分层模型预测其他应力比和纤维桥接作用情况下的疲劳分层扩展速率；
所述步骤5通过参数确定的新型疲劳分层模型可以预测任何其他应力比和纤维桥接作用程度下疲劳分层扩展速率。
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