CN112903442A - 复材胶接结构胶接界面i型断裂韧性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DIC的复材胶接结构胶接界面I型断裂韧性测试方法，包括如下步骤：1)、试样制备；2)、试样尺寸测量；3)、试样表面散斑制备；4)、安装试样、调节数字图像测试系统，完成相机对焦；5)、加载试样；6)、数据提取；和7)、数据分析和结果计算。本发明的方法解决了I型断裂韧性的试验操作困难，可以全程自动记录界面脱粘裂纹尖端的位置，与微机控制万能试验机同步采集，计算每个时刻对应的能量释放率，提取临界能量释放率(断裂韧性G_IC)，可以有效开展裂纹扩展机理分析，提高了裂纹尖端定位的准确性。

Description

复材胶接结构胶接界面I型断裂韧性测试方法

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料实验力学领域，更具体地说，涉及一种基于数字图像相关法(DIC)的对于纤维增强复合材料胶接结构的胶接界面I型断裂韧性的测试方法。

背景技术

纤维增强复合材料结构是一种比强度高、比刚度高、可设计性强、应用广泛的先进材料。为了实现这种材料在大型结构中的应用，需要通过连接的方式将小的元件组合成大的结构件。机械连接技术是在金属结构中常用的方式，需要在结构表面打孔。而对于长纤维增强复合材料层合板而言，由于其结构特征，打孔后容易引入新的损伤，而胶接技术不引入新的损伤，其采用的胶黏剂与复合材料基体性能比较接近，成为复合材料连接的最优方式。对胶接结构的性能评价，主要关注点在于胶接界面的性能。

任何型式的裂纹都可看作是三种基本类型的组合，张开型(I型)、滑移型(II型)、撕开型(III型)。工程上I型裂纹出现的最多、最危险，研究最深入，是低应力断裂的主要原因。胶接界面的张开型I型断裂韧性或者临界能量释放率是胶接界面开裂的主要形式之一，是评价胶接性能的关键参数。

目前国内外对于胶接界面的断裂韧性的测试标准较少，其中ASTMD3433是针对金属胶接结构的，虽然ISO 25217涉及复合材料胶接结构，测定方法参考复合材料层间I型断裂韧性的测试方法，然而该测试方法操作复杂，人为影响因素较多，不能实现自动化记录数据。由于胶接界面的断裂与层间断裂相比有更多的方向确定性，因此可以基于单侧数字图像测试技术，开发一种全程监控记录的复合材料胶接结构胶接界面I型断裂韧性测试方法。

针对上述存在的问题，本发明提供了一种用于纤维增强复合材料胶接结构的胶接界面I型断裂韧性的测试方法，解决了I型断裂韧性的试验操作困难，通过该方法可以全程自动记录界面脱粘裂纹尖端的位置，与微机控制万能试验机同步采集，计算每个时刻对应的能量释放率，提取临界能量释放率(断裂韧性G_IC)，可以有效开展裂纹扩展机理分析，提高了裂纹尖端定位的准确性。所述系统和方法可控性强、操作便捷、易于推广应用。

发明内容

本发明的技术方案是基于数字图像相关技术，对复合材料胶接结构的胶接界面I型断裂韧性进行测试。

本发明公开了一种基于DIC的复材胶接结构的胶接界面I型断裂韧性G_IC测试方法，具体包括如下步骤：

1)、试样制备

试样为琴式铰链型双悬臂梁试样(参考GB/T 28891-2012)，选择合适的长度与宽度，例如，长度为140mm，宽度为25mm。试样铺层胶接面铺层为0°方向，也就是试样的长度方向。粘接过程中，在试样胶层与复合材料层板之间的界面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜形成不粘接的区域预置脱粘缺陷，长度为40mm。薄膜必须平整，厚度不大于0.05mm。在试样预制缺陷端的复合材料层板两侧粘贴琴式铰链，轴心连线到试样边缘也是塑料薄膜边缘距离为16mm，轴心连线距离塑料薄膜的另一个边缘(初始裂纹尖端)为初始脱粘长度a₀＝24mm。

2)、试样尺寸测量

测量每个试样的宽度和厚度，记录宽度b和厚度h测量值的平均值。

3)、试样表面散斑制备

在试样表面刷一层白色哑光底漆，然后喷制不均匀的黑色散斑点，黑色散斑点总面积与非散斑总面积大致呈1:1比例，散斑大小需要按照相机分辨率进行调整。例如，视野宽度为145mm时，散斑大小应该占5-10个像素，相机分辨率为4008(视野长度方向)，则散斑尺寸为0.181-0.362mm。

4)、安装试样、调试数字图像测试系统

将琴式铰链双悬臂梁试样安装到微机控制万能拉伸试验机的夹具中，保持试样垂直于加载方向；如果安装后试样自由端部垂落，则对试样端部进行支撑，以保持试样垂直于加载方向。调节相机位置和打光位置，确保相机对焦后视野稍大于试样宽度，保持试样在视野中部位置。

5)、加载试样

以1mm/min的横梁位移速率加载试样，同步开启数字图像测试系统，不间断、不卸载，直至达到最终脱粘长度增量；微机控制万能拉伸试验机实时记录载荷值，数字图像测试系统实时拍摄加载全过程的散斑照片。

6)、数据提取

由试验机和数字图像采集系统获得载荷-时间曲线、加载铰链位置的位移-时间曲线、全场坐标-变形-时间数据4维矩阵，通过对随时间变化的载荷、位移、全场变形数据的分析，提取载荷P、加载点位移δ、脱粘长度a等断裂韧性计算的关键参数。

载荷-时间曲线由微机控制万能拉伸试验机自动记录；通过对采集的图片上散斑区域进行基于数字图像相关技术的计算后，将长度方向分为q个子集，每个子集的x轴坐标相同；厚度方向分为n个子集，每个子集的y轴坐标相同。由数字图像测试系统输出全场坐标-变形-时间数据4维矩阵，分析提取加载点位移和脱粘长度随时间的变化曲线，具体方法如下：

6.1)、加载铰链位置的位移-时间曲线和载荷-位移曲线提取

在数字图像测试系统软件中选取铰链位置的两块复合材料层合板厚度方向的中点P1，P2，在全场坐标-变形-时间数据4维矩阵中，提取P1，P2的y方向变形数据v_P1，v_P2随时间t变化的曲线，用上侧变形数据减去下侧变形数据得到差值δ＝v_P1-v_P2随时间的曲线(δ-t)，与载荷-时间曲线合并，得到载荷-位移曲线(p-δ)。

6.2)、裂纹尖端位置判断和脱粘长度-时间曲线提取

在数字图像测试系统软件中选取脱粘裂纹所在位置上下对称位置的两个y值坐标的子集的变形数据，提取上侧变形减去下侧变形的差值随x的变化曲线，从预置裂纹侧试样边缘开始取上下侧变形数据的差值，出现第一个负值之前对应的x值为裂纹尖端x轴坐标值，也就是上侧变形与下侧变形相等时的位置为裂纹尖端位置。

提取每个时刻t对应的x_i-v_ij曲线(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝0,1,2,…,n-1)，由于胶接区域的最靠近的子集会发生断裂，对于裂纹尖端位置判断可能会造成影响，因此提取最靠近胶接区域的两个等y值的子集来进行判断。上侧子集编号是α，y轴坐标是y_α；下侧子集编号是β，y轴坐标是y_β，α-β＝γ。

对于某一个时刻t，应用公式(1)计算得到每个x轴坐标α子集和β子集的距离为Δ(v_ij+y_j)_{(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}：

Δ(v_ij+y_j)_{(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}＝(v_iα+y_α)-(v_iβ+y_β)_{(i＝0,1,2,…,q-1)}……………(1)

其中，Δy_j(j＝α,β)为α子集和β子集的y轴坐标值差值，Δy_j(j＝α,β)＝y_α-y_β＝γh/n(h是胶接结构的厚度)；Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}为α子集和β子集变形差值随x的变化值，Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}＝(v_iα-v_iβ)_{(i＝0,1,2,…,q-1)}。

Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}由i＝0预置裂纹侧试样边缘位置开始到最后到未开裂区域呈现由大变小的趋势，逐渐变为0之后差值变为相对较小的负值，过程中是由拉应力区域逐渐转为压应力区域。当Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}为0(或者为最小正值)时，Δ(v_ij+y_j)_{(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝α,β)}的差值为γh/n，表明这两个子集刚好没有相对变形。可以判断，该位置x_c为裂纹尖端所在位置，该位置上下两个子集的变形数据相等的点，并且此位置的变形为正值，处于拉应变区域，满足理论预测要求。裂纹尖端y轴坐标值取上下对称位置的两个y值的平均值y_c＝(y_α+y_β)/2，输出裂纹尖端坐标值(x_c，y_c)随时间t的变化曲线。

脱粘长度为该裂纹尖端位置与铰链位置上下复材层板中点坐标值之间的距离。在数字图像测试系统软件中选取铰链位置上下复材层板中点(x₀,y₀)，用公式(2)计算每个时刻的脱粘长度a，提取a随t的变化曲线。

其中，a是t时刻的脱粘长度，x₀,y₀是铰链位置上下复材层板中点坐标，x_c,y_c是t时刻的裂纹尖端坐标值。

7)、数据分析和结果计算

7.1)、绘制脱粘-阻力(a-G_I)曲线

通过以上步骤，可以获取随时间t变化的载荷p、位移δ、脱粘长度a。柔度C＝δ/p。采用改进的柔度校准方法(MCC)(该方法参考GB/T 28891-2012)，将脱粘扩展后的每个t时刻的宽度归一化的柔度立方根(bC)^1/3随厚度归一化的脱粘长度a/h的函数关系绘制成坐标图，经过线性拟合，获得直线的斜率为m。

用公式(3)计算每个时刻t的I型界面脱粘的能量释放率G_I：

其中，p为t时刻的载荷，C为t时刻的载荷p和铰链移动位移δ计算得出的柔度，m为厚度归一化的脱粘长度和宽度归一化的柔度立方根拟合的直线的斜率，b为胶接结构试样的宽度，h为胶接结构试样的厚度。

将a随t的变化曲线和G_I随t的变化曲线合并提取脱粘-阻力(a-G_I)曲线。整个加载过程首先经历一段脱粘未扩展阶段，脱粘长度为a₀保持不增加；接下来是不稳定扩展阶段；然后是稳定扩展阶段，最后是脱粘未扩展阶段。

7.2)、断裂韧性G_IC计算

胶接界面I型断裂韧性G_IC为稳定脱粘阶段的脱粘裂纹扩展时刻对应的I型界面临界能量释放率。通过对脱粘阻力(a-G_I)曲线分析，确定稳定脱粘阶段，对这一段的脱粘长度随时间变化的曲线进行分析，发现脱粘裂纹随着时间逐渐扩展不是连续扩展，而是阶梯式的扩展，一段时间内脱粘长度相同，能量释放率会逐渐增大，当脱粘长度增大为另一个值时也就是裂纹发生向前扩展之前，能量释放率达到最大，此时为该脱粘长度对应的断裂韧性数据。因此在脱粘阻力曲线中的稳定脱粘阶段提取出所有的峰值，作为稳定脱粘阶段I型断裂韧性数据，最终取所有峰值的平均值来表征这种复合材料与胶黏剂的I型界面断裂韧性G_IC。

本发明的方法解决了胶接界面断裂韧性的测试操作困难，通过该方法可以全程记录界面脱粘裂纹尖端的位置，与微机控制万能试验机同步，增加了大量实验过程的数据采集，可以有效开展裂纹扩展机理分析，提高了裂纹尖端定位的准确性，该方法和所用系统可控性强、操作便捷、易于推广应用。

附图说明

图1本发明的试样尺寸示意图。

图2本发明的试样散斑示例。

图3本发明的数字图像相关法计算后的子集位置示意图。

图4本发明提取的载荷随位移变化的曲线示例。

图5本发明提取的脱粘长度随时间变化的曲线示例。

图6本发明提取的a/h与(bC)^1/3的曲线示例。

图7本发明提取脱粘阻力曲线示例。

图8本发明提取的稳定脱粘阶段脱粘阻力曲线。

具体实施方式

以下将通过实施例详细说明本发明。所述实施例仅用于说明本发明的内容而并不局限于此，本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

下面结合具体实施过程对本发明做进一步说明。

1、试样制备

如图1所示，试样的几何尺寸为长140mm，宽25mm。复合材料为AGMP3516/T700，胶黏剂为AGMA 020胶黏剂，上下两个复合材料层合板的铺层为16层，铺设方式为[0/45/90/-45/0/45/90/-45/-45/90/45/0/-45/90/45/0]，胶接面铺层为0°。粘接过程中，在试样胶层与复合材料层板之间的界面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜，长度为40mm。在试样预制缺陷端的复合材料层板两侧粘贴琴式铰链，轴心连线距离试样边缘也是塑料薄膜边缘为16mm，轴心连线距离塑料薄膜的另一个边缘(初始裂纹尖端)为初始脱粘长度a₀＝24mm，参见图1。

2、试样尺寸测量

试样宽度平均值为25mm，厚度平均值为3.84mm。

3、试样表面散斑制备

在试样表面刷一层白色哑光底漆，然后喷制不均匀的黑色散斑点，散斑图片参见图2。

4、安装试样、调试数字图像测试系统

将琴式铰链双悬臂梁试样安装到试验机的夹具中，保持试样垂直于加载方向。调节相机位置和打光位置，确保视野稍大于试样宽度，保持试样在视野中部位置。

5、加载试样

设置自动加载模式，以1mm/min的横梁位移速率加载试样，同步开启数字图像测试系统，不间断、不卸载，加载到脱粘裂纹扩展到80mm。加载全程位移不清零，加载过程，记录荷载，同时进行图像采集。

6、数据提取

由微机控制万能拉伸试验机获得载荷-时间曲线。通过对采集的图片上散斑区域进行基于数字图像分析技术的计算后，将散斑区域划分为长度方向为472个子集，厚度方向为14个子集，参见图3所示的子集示意图。由数字图像测试系统输出的每个子集的y轴方向的变形数据提取全场变形-时间数据4维矩阵。

6.1提加载铰链位置的位移-时间曲线及载荷-位移曲线提取

在数字图像测试系统软件中选取两块复合材料层合板板的铰链位置的厚度方向的中点P1，P2，参见表1，结合全场变形-时间数据4维矩阵，提取两点的y方向变形数据v_P1，v_P2随时间变化的曲线，用上侧变形数据减去下侧变形数据得到差值δ＝v_P1-v_P2随时间的曲线(δ-t)，与载荷-时间曲线合并，得到载荷-位移曲线(p-δ)，参见图4。

表1铰链位置上下复材层板中点坐标值和铰链位置胶接结构中点坐标值

6.2裂纹尖端位置判断和脱粘长度-时间曲线提取

数字图像测试系统将试样的厚度方向分为14个子集，每个子集的y值坐标相同，可以提取对应每个时间t对应的x_i-v_ij曲线(j＝0,1,2，…,13)，由胶接区域上侧和下侧对称位置的子集，也就是j＝3和7，计算得到Δ(v_ij+y_j)_{(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝7,3)}＝((v_i,7+y₇)-(v_i,3-y₃))_{(i＝0,1,2,…,q-1)}，Δy_j(j＝7,3)＝y₇-y₃＝4h/14(h是胶接结构的厚度)，Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝7,3)}＝(v_i,7-v_i,3)_{(i＝0,1,2,…,q-1)}。Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝7,3)}由裂纹开裂区域到未开裂区域呈现由大变小的趋势，逐渐变为0之后差值变为相对较小的负值，可以看出逐渐转为压应力区域。当Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝7,3)}为0时，Δ(v_ij+y_j)_(j＝7,3)的差值为1.09mm，此时该位置的子集没有y方向变形。可以判断，该位置为裂纹尖端，该位置上下两个板块变形数据相等的点，并且此位置的变形为正值，处于拉应变区域，满足理论猜测要求，提取该点的x轴坐标值为x_c(当Δv_{ij(i＝0,1,2,…,q-1)(j＝7,3)}最接近0时)。裂纹尖端y轴坐标值取上下对称位置的两个y值的平均值y_c＝(y₃+y₇)/2。

用裂纹尖端坐标值(x_c，y_c)与表1中的铰链位置上下复材层板中点P0的坐标值(x₀,y₀)，由公式(1)计算脱粘长度a随t的变化曲线，参见图5。

7数据分析和结果计算

7.1绘制脱粘-阻力曲线

采用改进的柔度校准方法，将将脱粘扩展后的每个时刻的用宽度归一化的柔度立方根(bC)^1/3和用厚度归一化的脱粘长度a/h的函数绘制坐标图，参见图6，线性拟合得到直线的斜率为m＝0.09997。

按照公式(2)计算每个时刻对应的能量释放率G_I，绘制脱粘阻力(a-G_I)曲线见图7，可以看到在加载初期，初始脱粘长度未发生脱粘扩展，此时的数据并非是临界能量释放率(断裂韧性)数据。加载一段时间后，脱粘长度由初始脱粘长度a₀＝24mm开始缓慢扩展，G_I也逐渐增加，此时属于预置裂纹不稳定脱粘阶段；直到a大于45mm时，G_I逐渐趋稳，呈现锯齿形曲线，此时进入稳定脱粘阶段，该阶段可以提取断裂韧性数据；当a扩展到70mm左右时，此时由载荷位移曲线可以看出，载荷并没有出现垂直坐标轴急剧逐渐下降，并且载荷基本持平没有降低，此时的裂纹已经扩展到全长的一半以上，由于结构的问题，导致需要较大的位移行程才能够继续扩展，所以此时的数据并非是断裂韧性数据。

7.2提取断裂韧性数据

通过对图7的脱粘阻力曲线分析，发现370s到880s为稳定脱粘阶段，对这一段的脱粘长度进行分析，发现脱粘长度随着时间逐渐扩展不是连续扩展，一段时间后脱粘长度相同，断裂韧性会逐渐增大，到脱粘长度增大为另一个值也就是裂纹发生向前扩展时，能量释放率达到最大可以作为断裂韧性数据，见图8，按照该方法可以提取出9个峰值，见表2，作为稳定脱粘阶段I型断裂韧性数据，最终取平均值573.91kJ/m²来表征这种复合材料与胶黏剂的I型界面断裂韧性G_IC。

表2复合材料胶接结构胶接界面I型断裂韧性计算结果

Claims (5)

1.一种复材胶接结构胶接界面I型断裂韧性测试方法，包括如下步骤：

1)、试样制备

试样为琴式铰链型双悬臂梁试样；试样铺层胶接面铺层为0°方向；粘接过程中，在试样胶层与复合材料层板之间的界面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜形成不粘接的区域预置缺陷；在试样预制缺陷端的复合材料层板两侧粘贴琴式铰链，轴心连线距离试样边缘16mm，轴心连线距离塑料薄膜的另一个边缘为初始脱粘长度；

2)、试样尺寸测量

测量每个试样的宽度和厚度，记录宽度和厚度测量值的平均值；

3)、试样表面散斑制备

在试样表面刷一层白色哑光底漆，然后喷制不均匀的黑色散斑点，散斑点总面积与非散斑总面积呈1:1比例，散斑大小按照相机分辨率调整；

4)、安装试样、调节数字图像测试系统

将琴式铰链双悬臂梁试样安装到微机控制万能拉伸试验机的夹具中，保持试样垂直于加载方向；调节相机位置和打光位置，确保相机对焦后视野稍大于试样宽度，保持试样在视野中部位置；

5)、加载试样

以一定的横梁位移速率加载试样，同步开启数字图像测试系统，不间断、不卸载，直至达到最终脱粘长度增量；微机控制万能拉伸试验机实时记录载荷值，数字图像测试系统实时拍摄加载全过程的散斑照片；

6)、数据提取

由试验机和数字图像采集系统获得载荷-时间曲线、加载铰链位置的位移-时间曲线、全场坐标-变形-时间数据4维矩阵，通过对随时间变化的载荷、位移、全场变形数据的分析，提取载荷、加载点位移、脱粘长度参数；

7)、数据分析和结果计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤1)中，所述聚四氟乙烯塑料薄膜平整，厚度不大于0.05mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤3)中，散斑大小占5-10个像素，根据相机分辨率以及视野宽度控制散斑的尺寸。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤6)中，提取加载点位移和脱粘长度随时间的变化曲线，具体方法如下：

6.1)、加载铰链位置的位移-时间曲线和载荷-位移曲线提取

在数字图像测试系统软件中选取两块复合材料层合板的铰链位置的厚度方向的中点，在全场变形-时间数据4维矩阵中，提取所述两个中点的y方向变形数据随时间变化的曲线，用上侧变形数据减去下侧变形数据得到其差值随时间的曲线，与载荷-时间曲线合并，得到载荷-位移曲线；

6.2)、裂纹尖端位置判断和脱粘长度-时间曲线提取

在数字图像测试系统软件中选取脱粘裂纹所在位置上下对称位置的两个y值坐标的子集的变形数据，提取上侧变形减去下侧变形的差值随x的变化曲线，从预置裂纹侧试样边缘开始取上下侧变形数据的差值，出现第一个负值之前对应的x值为裂纹尖端位置；

脱粘长度为该裂纹尖端位置与铰链位置上下复材层板中点坐标值之间的距离；输出裂纹尖端坐标值随时间的变化曲线，提取铰链位置上下复材层板中点，用公式(2)计算每个时刻的脱粘长度，提取脱粘长度随时间的变化曲线；

其中，a是t时刻的脱粘长度，x₀,y₀是复材层板中点，x_c,y_c是t时刻的裂纹尖端坐标值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤7)中，进一步包括如下：

7.1)、绘制脱粘-阻力曲线

将脱粘扩展后的每个时刻的宽度归一化的柔度立方根随厚度归一化的脱粘长度的函数关系绘制成坐标图，经过线性拟合，获得直线的斜率；

然后用公式(3)计算每个时刻t的I型界面脱粘的能量释放率G_I：

其中，p为t时刻的载荷，C为t时刻的载荷p和铰链移动位移δ计算得出的柔度，m为厚度归一化的脱粘长度和宽度归一化的柔度立方根拟合的直线的斜率，b为胶接结构试样的宽度，h为胶接结构试样的厚度；

将脱粘长度随时间的变化曲线和能量释放率随时间的变化曲线合并提取脱粘-阻力曲线；

7.2)、断裂韧性计算

胶接界面I型断裂韧性为稳定脱粘阶段的脱粘裂纹扩展时刻对应的I型界面临界能量释放率；分析脱粘-阻力曲线，确定稳定脱粘阶段，当脱粘长度增大为另一个值时，能量释放率达到最大，此时为该脱粘长度对应的断裂韧性数据；在脱粘阻力曲线中的稳定脱粘阶段提取出所有的峰值，作为稳定脱粘阶段I型断裂韧性数据，取所有峰值的平均值表征这种复合材料与胶黏剂的I型界面断裂韧性。

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