CN112857996A - 一种高效的复合材料层合板i型分层桥联法则确定方法 - Google Patents

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CN112857996A CN202110039553.8A CN202110039553A CN112857996A CN 112857996 A CN112857996 A CN 112857996A CN 202110039553 A CN202110039553 A CN 202110039553A CN 112857996 A CN112857996 A CN 112857996A
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赵丽滨
曹天成
马晨曦
骈瑢
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    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Abstract

本发明涉及一种高效的复合材料层合板I型分层桥联法则确定方法，包括以下步骤：(1)开展复合材料层合板I型分层试验，确定其能量释放率GIc‑分层长度a曲线；(2)建立考虑桥联应力的复合材料层合板I型载荷下试样的欧拉‑伯努利梁模型；(3)将试验测试得到的P‑a‑GIc数据对、材料基本属性、几何尺寸输入上述模型计算程序，在Matlab软件进行迭代计算，确定桥联法则参数。本发明适用于适用于典型连续纤维增强复合材料层合板I型分层扩展过程中桥联法则的确定，其优势包括：(1)利用本方法确定桥联法则仅需要在试验过程中获得试样的P‑δ曲线，不需要对试样裂纹进行观测，避免了复杂设备的安装，受试验条件约束小；(2)本方法利用Matlab程序实现，计算效率高。

Description

一种高效的复合材料层合板I型分层桥联法则确定方法
技术领域
本发明涉及复合材料层合板在I型载荷桥联法则的快速确定方法，适用于典型连续纤维增强复合材料层合板。
背景技术
先进复合材料在飞行器中的用量和应用部位是衡量飞机结构先进性的一个重要标志，目前国外先进客机上的复合材料用量均已超过了50％，且应用于机翼、机身等主承力构件，而我国最新研制的大型客机C919中复合材料用量只有12％，并期望在下一代远程宽体客机CR929中提升到50％以上。飞行器中常用的复合材料结构为复合材料层合板，其面内性能优异，但是层间性能及其薄弱，在面外载荷的作用下极易发生分层，进而导致结构强度和刚度的下降，最终导致结构灾难性破坏的发生。因此，准确评价及模拟其层间性能是保证复合材料结构完整性的关键技术之一。连续纤维增强复合材料在产生层间分层时往往伴随着纤维的大尺度桥接现象，纤维桥接现象使得复合材料层合板裂纹尖端应力场异常复杂，造成明显的分层阻抗，对其引起的桥联应力分布情况进行评估和研究是准确模拟复合材料层合板层间分层现象的关键。
复合材料层合板I型分层是其三种典型分层形式中最为典型和常见的分层形式，因此国内外多数学者针对其I型分层下的桥联应力确定方法进行了研究。现有的确定方法大多数基于试验装置直接或间接测量，比如布拉格光栅传感器法、电子图像干涉方法等，试验结果严重依赖于试验设备的测量精度以及人工操作的精度，且试验设备复杂、研究周期长、成本高，在各种测试环境下适应性差。在实际工程应用中更期待一种简便、高效、可靠的桥联应力确定方法。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服了现有技术的不足，提出了一种高效的复合材料层合板I型分层桥联法则确定方法。
本发明的技术解决方案：一种高效的复合材料层合板I型分层桥联法则确定方法，包括以下步骤：
步骤A，开展复合材料层合板I型分层试验，确定其能量释放率GIc-分层长度a曲线，实现过程是：
(A1)根据试验测试标准设计并加工特定铺层下的DCB试样，在DCB试样一侧预制裂纹，预制裂纹长度根据可以根据研究需要确定。
(A3)利用快速装卡铰链夹具将DCB试样装卡到MTS试验机上，装卡完毕后尽可能保证试样处于平直状态，不得出现任何扭曲。
(A3)将试验机调成位移控制模式，以0.1mm/min的加载速率开展DCB静力拉伸试验，在试验过程中由试验机控制程序记录试样的载荷P-张开位移δ数据。
(A4)利用步骤(A3)中的数据，基于柔度标定方法和修正梁理论计算得到能量释放率GIc-分层长度a的试验曲线。
步骤B，建立考虑桥联应力的复合材料层合板I型载荷下试样的欧拉-伯努利梁模型，实现过程是：
(B1)基于欧拉-伯努利梁理论，将DCB试样I型分层问题简化为二维力学模型；
(B2)对考虑桥联应力作用的DCB试样进行力学分析，得出其在I型载荷作用下，能量释放率GIc表达式，一般情况下，它是外载P、试样分层长度a以及桥联应力参数的函数。
(B3)利用Matlab软件，将上述结果编成Matlab计算程序。
步骤C，将试验测试得到的P-a-GIc数据对、材料基本属性、几何尺寸输入上述模型计算程序，在Matlab软件进行迭代计算，确定桥联法则参数。实现过程是：
(C1)输入材料属性，包括弹性模量、泊松比，输入DCB试样铺层顺序、几何尺寸。
(C2)基于步骤B给出的能量释放率半解析表达式与试验测得的能量释放率进行优化迭代，使其误差最小即得到桥联法则参数。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)利用本方法确定桥联法则仅需要在试验过程中获得试样的P-δ曲线，不需要对试样裂纹进行观测，避免了复杂设备的安装，受试验条件约束小；(2)本方法利用Matlab程序实现，计算效率高。
附图说明
图1是本发明方法的实施流程图；
图2是层合板I型分层过程中的P-δ曲线；
图3是试验测得的GIc-a曲线；
图4是考虑桥联应力的DCB试样二维力学模型；
图5是计算与试验结果对比图；
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。
实施实例：采用T800/X850树脂基复合材料层合板试验件I型分层桥联法则的确定
1.几何描述
DCB层合板试验件的厚度为4.44mm，宽度为25mm，长度为160mm，初始预制分层长度为40mm，初始分层位置位于试验件中间厚度位置处。层合板的铺层顺序为(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S，单向带的材料属性为：E1＝195GPa，E2＝E3＝8.58GPa，G12＝G13＝4.57GPa，G23＝2.90GPa，ν12＝ν13＝0.33，ν23＝0.48。
2.开展复合材料层合板I型分层试验，确定其能量释放率GIc-分层长度a曲线；
(A)利用快速装卡铰链夹具将DCB试样装卡到MTS试验机上，装卡完毕后尽可能保证试样处于平直状态，不得出现任何扭曲。
(B)将试验机调成位移控制模式，以0.1mm/min的加载速率开展DCB静力拉伸试验，在试验过程中由试验机控制程序记录试样的载荷P-张开位移δ数据。
(C)利用步骤(B)中的数据，基于柔度标定方法和修正梁理论计算得到能量释放率GIc-分层长度a的试验曲线。
3.建立考虑桥联应力的复合材料层合板I型载荷下试样的欧拉-伯努利梁模型：
(A)基于欧拉-伯努利梁理论，将DCB试样I型分层问题简化为二维力学模型；
(B)对考虑桥联应力作用的DCB试样进行力学分析，得出其在I型载荷作用下，能量释放率GIc表达式，一般情况下，它是外载P、试样分层长度a以及桥联应力参数的函数。
(C)利用Matlab软件，将上述结果编成Matlab计算程序。
4.将试验测试得到的P-a-GIc数据对、材料基本属性、几何尺寸输入上述模型计算程序，在Matlab软件进行迭代计算，确定桥联法则参数。实现过程是：
(A)输入材料属性，包括弹性模量、泊松比，输入DCB试样铺层顺序、几何尺寸。
(B)基于步骤3给出的能量释放率半解析表达式与试验测得的能量释放率进行优化迭代，使其误差最小即得到桥联法则参数，确定的桥联法则表达式为
Figure BDA0002895137580000031
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高效的复合材料层合板I型分层桥联法则确定方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A，开展复合材料层合板I型分层试验，确定其能量释放率GIc-分层长度a曲线，实现过程是：
(A1)根据试验测试标准设计并加工特定铺层下的DCB试样，在DCB试样一侧预制裂纹，预制裂纹长度根据可以根据研究需要确定。
(A3)利用快速装卡铰链夹具将DCB试样装卡到MTS试验机上，装卡完毕后尽可能保证试样处于平直状态，不得出现任何扭曲。
(A3)将试验机调成位移控制模式，以0.1mm/min的加载速率开展DCB静力拉伸试验，在试验过程中由试验机控制程序记录试样的载荷P-张开位移δ数据。
(A4)利用步骤(A3)中的数据，基于柔度标定方法和修正梁理论计算得到能量释放率GIc-分层长度a的试验曲线。
步骤B，建立考虑桥联应力的复合材料层合板I型载荷下试样的欧拉-伯努利梁模型，实现过程是：
(B1)基于欧拉-伯努利梁理论，将DCB试样I型分层问题简化为二维力学模型；
(B2)对考虑桥联应力作用的DCB试样进行力学分析，得出其在I型载荷作用下，能量释放率GIc表达式，一般情况下，它是外载P、试样分层长度a以及桥联应力参数的函数。
(B3)利用Matlab软件，将上述结果编成Matlab计算程序。
步骤C，将试验测试得到的P-a-GIc数据对、材料基本属性、几何尺寸输入上述模型计算程序，在Matlab软件进行迭代计算，确定桥联法则参数。实现过程是：
(C1)输入材料属性，包括弹性模量、泊松比，输入DCB试样铺层顺序、几何尺寸。
(C2)基于步骤B给出的能量释放率半解析表达式与试验测得的能量释放率进行优化迭代，使其误差最小即得到桥联法则参数。
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