一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空結(jié)構(gòu)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料 面外剛度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料剛度是材料受外力作用時抵抗變形的能力，一般用彈性模量表示。復(fù)合材料 是各向異性材料，不同材料方向上的剛度各不相同。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論，用工程彈性常 數(shù)表示的柔度矩陣表示如下：
[0004] 用9個獨(dú)立彈性常數(shù)可以表征材料屬性，即三個材料主方向上的彈性模量El，E2， E3，三個泊松比γl2，γl3，γ23，三個平面內(nèi)的剪切彈性模量G12，G13，G23。其中把3方 向的彈性模量E3和G13、G23平面內(nèi)的剪切彈性模量G13、G23稱為面外剛度。在進(jìn)行厚板 和編織類的復(fù)合材料性能評估時需要使用準(zhǔn)確的面外剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行基于三維的強(qiáng)度分析 和失效分析。
[0005] 現(xiàn)有的復(fù)合材料面外剛度（E3, G23, G13)測量方法僅僅針對單獨(dú)項目，而且很難 實現(xiàn)單獨(dú)應(yīng)力場，試驗件制備復(fù)雜，要求高。具體存在的問題包括：面外拉壓模量E3的測量 目前還沒有正式的標(biāo)準(zhǔn)，測量的方法和測量試驗件尺寸尚在進(jìn)一步研究中；面外剪切模量 G23, G13雖然有ASTM正式標(biāo)準(zhǔn)，但測試方法不能實現(xiàn)純剪力場，有其它載荷耦合的影響。試 驗件制備復(fù)雜，往往容易受試驗件加工質(zhì)量影響引起非正常破壞。目前五點(diǎn)彎曲方法有用 來進(jìn)行面內(nèi)剪切模量G12的測量的專利，還沒有進(jìn)行復(fù)合材料面外剛度測量的研究和專利 的公開。
[0006] 現(xiàn)在亟需解決的技術(shù)問題是如何設(shè)計一種復(fù)合材料面外剛度的測量方法，該測量 方法能夠消除各剛度耦合效應(yīng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中在測量復(fù)合材料面外剛度中存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠消除各剛度耦合效 應(yīng)、一次性可得到多個復(fù)合材料面外剛度數(shù)據(jù)的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法。
[0008] 本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方 法，包括如下步驟：
[0009] Sl :實驗準(zhǔn)備，選用一般的萬能材料試驗機(jī)作為試驗機(jī)，制作復(fù)合材料試驗件，確 定對試驗件進(jìn)行彎曲的點(diǎn)數(shù)并準(zhǔn)備試驗夾具；
[0010] S2 :按照SI中選定的多點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行試驗和測量并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)；
[0011] S3 :對S2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，得出復(fù)合材料面外剛度。
[0012] 上述方案中優(yōu)選的是，Sl中選取的試驗機(jī)的最小的工作載荷為100KN。將試驗機(jī) 的工作載荷設(shè)定較大的數(shù)量級，保障測量條件能夠滿足多種測量需求，以適應(yīng)較大范圍數(shù) 量級的測量。
[0013] 上述任一方案中優(yōu)選的是，Sl中制作的復(fù)合材料試驗件為規(guī)則的長方體結(jié)構(gòu)，并 以試驗件的長、寬、高建立坐標(biāo)系，定義：對試驗件進(jìn)行彎曲的點(diǎn)數(shù)為N。
[0014] 上述任一方案中優(yōu)選的是，定義：S1中試驗件的長度取值為L，其中，L = 45*(N-2)。
[0015] 上述任一方案中優(yōu)選的是，S2中在試驗機(jī)上居中放置試驗件，確定以試驗件的高 度方向為試驗機(jī)加載方向，調(diào)整每組加載點(diǎn)和支持點(diǎn)之間的距離，對試驗件施加壓縮載荷， 對試驗件每個加載點(diǎn)截面上沿試驗件高度方向設(shè)置測量點(diǎn)，測量點(diǎn)的數(shù)量大于等于三個。
[0016] 上述任一方案中優(yōu)選的是，通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行參數(shù)反演計算。
[0017] 上述任一方案中優(yōu)選的是，通過載荷及對應(yīng)測量的點(diǎn)的位移，計算得出對應(yīng)的應(yīng) 變下面外剛度數(shù)據(jù)。
[0018] 上述任一方案中優(yōu)選的是，通過多個載荷和對應(yīng)測量的的位移數(shù)據(jù)可得出應(yīng) 變-模量曲線。
[0019] 本發(fā)明所提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法的有益效果在于，測量結(jié) 果準(zhǔn)確度高，消除了各剛度之間的耦合效應(yīng)。采用本發(fā)明提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面 外剛度的方法所得到的復(fù)合材料面外剛度數(shù)據(jù)結(jié)果用于有限元分析精度高，試驗件制備簡 單，試驗方法簡便。
【附圖說明】
[0020] 圖1是按照本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法的優(yōu)選實施例流程 示意圖；
[0021] 圖2是按照本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法的圖1所示實施例的 選用的試驗件的示意圖；
[0022] 圖3是按照本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法的圖1所示實施例S3 的流程示意圖；
[0023] 圖4是是按照本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法的圖1所示實施例 迭代過程曲線圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了更好地理解按照本發(fā)明方案的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，下面 結(jié)合附圖對本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法的一優(yōu)選實施例作進(jìn)一步闡 述說明。
[0025] 結(jié)合圖1-圖4,本發(fā)明提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法包括如下步 驟：
[0026] Sl :實驗準(zhǔn)備，選用一般的萬能材料試驗機(jī)作為試驗機(jī)，制作復(fù)合材料試驗件，確 定對試驗件進(jìn)行彎曲的點(diǎn)數(shù)并準(zhǔn)備試驗夾具；
[0027] S2 :按照Sl中選定的多點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行試驗和測量并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)；
[0028] S3 :對S2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，得出復(fù)合材料面外剛度。
[0029] Sl中選取的試驗機(jī)的最小的工作載荷為100KN。Sl中制作的復(fù)合材料試驗件為 規(guī)則的長方體結(jié)構(gòu)，并以試驗件的長、寬、高建立坐標(biāo)系，定義：對試驗件進(jìn)行彎曲的點(diǎn)數(shù)為 N。定義：Sl中試驗件的長度取值為L，其中，L = 45* (N-2)。
[0030] S2中在試驗機(jī)上居中放置試驗件，確定以試驗件的高度方向為試驗機(jī)加載方向， 調(diào)整每組加載點(diǎn)和支持點(diǎn)之間的距離，對試驗件施加壓縮載荷，對試驗件每個加載點(diǎn)截面 上沿試驗件高度方向設(shè)置測量點(diǎn)，測量點(diǎn)的數(shù)量大于等于三個。
[0031] 本發(fā)明提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法在S2步驟中通過試驗獲得 實驗數(shù)據(jù)，測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行參數(shù)反演計算。反演計算過程是通過特定編 制的軟件進(jìn)行的，通過載荷及對應(yīng)測量的點(diǎn)的位移，計算得出對應(yīng)的應(yīng)變下面外剛度數(shù)據(jù)。 不僅如此，使用同樣的特定編制的軟件通過多個載荷和對應(yīng)測量的的位移數(shù)據(jù)可得出應(yīng) 變-模量曲線。采用特定編制的軟件進(jìn)行反演計算的流程如圖1所示。
[0032] 本發(fā)明提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法可作為：復(fù)合材料面外剛度 測量的試驗方法；復(fù)合材料有限元三維計算所需剛度數(shù)據(jù)輸入；隨爐試驗件性能測量的試 驗方法。
[0033] 在具體的使用過程中，用五點(diǎn)彎曲方法測量復(fù)合材料（材料牌號：5228A/CCF300) 的面外剛度E3, G13, G23,選用100KN萬能材料試驗機(jī)作為試驗機(jī)。制備試驗件，5228A/ CCF300材料單層厚度0. 125mm，試驗件鋪層[0]12。，厚度15mm，寬度40mm，長度135mm。準(zhǔn)備 五點(diǎn)彎曲夾具。選擇五點(diǎn)彎曲是因為五點(diǎn)彎曲可以在試驗件上形成兩個純剪切面，該面彎 矩為零，有利于試驗數(shù)據(jù)的處理。
[0034] 進(jìn)行試驗過程中，以試驗件的長、寬、高建立坐標(biāo)系，對應(yīng)的坐標(biāo)軸分別為X、Y、Z， 試驗載荷為0-10KN，加載過程中使用DIC測量設(shè)備測量如圖2標(biāo)注的A1、A2、A3、B1、B2、B3 共計6個點(diǎn)的位移。選取任意載荷下的位移測量數(shù)據(jù)，如8KN時的位移如下表。
[0037] 將試驗數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理軟件，使用參數(shù)反演方法進(jìn)行面外剛度計算，面外剛度 初值可任意設(shè)置，本實施例中將面外剛度例設(shè)為[E3 = 15000MPa，G13 = 9000MPa，G23 = 6000MPa]作為初值。計算迭代過程見下表，所生成的迭代過程曲線如圖3所示。
[0038] CN 105181480 A ^ ΗΠ T> 4/4 貞
[0039] 最終測量并計算得到的面外剛度為Ε3 = 9651MPa，G13 = 6002MPa，G23 = 3098MPa〇
[0040] 以上結(jié)合本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法具體實施例做了詳細(xì) 描述，但并非是對本發(fā)明的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡 單修改均屬于本發(fā)明的技術(shù)范圍，還需要說明的是，按照本發(fā)明的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料 面外剛度的方法技術(shù)方案的范疇包括上述各部分之間的任意組合。
【主權(quán)項】
1. 一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于，包括如下步驟： 51 :實驗準(zhǔn)備，選用一般的萬能材料試驗機(jī)作為試驗機(jī)，制作復(fù)合材料試驗件，確定對 試驗件進(jìn)行彎曲的點(diǎn)數(shù)并準(zhǔn)備試驗夾具； 52 :按照Sl中選定的多點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行試驗和測量并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)； 53 :對S2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，得出復(fù)合材料面外剛度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， Sl中選取的試驗機(jī)的最小的工作載荷為100KN。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， Sl中制作的復(fù)合材料試驗件為規(guī)則的長方體結(jié)構(gòu)，并以試驗件的長、寬、高建立坐標(biāo)系，定 義：對試驗件進(jìn)行彎曲的點(diǎn)數(shù)為N。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， 定義：Sl中試驗件的長度取值為L，其中，L= 45* (N-2)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， S2中在試驗機(jī)上居中放置試驗件，確定以試驗件的高度方向為試驗機(jī)加載方向，調(diào)整每組 加載點(diǎn)和支持點(diǎn)之間的距離，對試驗件施加壓縮載荷，對試驗件每個加載點(diǎn)截面上沿試驗 件高度方向設(shè)置測量點(diǎn)，測量點(diǎn)的數(shù)量大于等于三個。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， 通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行參數(shù)反演計算。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， 通過載荷及對應(yīng)測量的點(diǎn)的位移，計算得出對應(yīng)的應(yīng)變下面外剛度數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，其特征在于， 通過多個載荷和對應(yīng)測量的位移數(shù)據(jù)得出應(yīng)變-模量曲線。
【專利摘要】一種多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法，屬于航空結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域。利用多點(diǎn)彎曲特別是五點(diǎn)彎曲這一簡便的試驗方法形成的既有存剪狀態(tài)又有耦合狀態(tài)的在一個試驗件上形成的多種應(yīng)力場分布，同時利用參數(shù)反演方法根據(jù)有限元模型結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化反演計算可以一次得到多個面外剛度數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法測量結(jié)果準(zhǔn)確度高，消除了各剛度之間的耦合效應(yīng)。采用本發(fā)明提供的多點(diǎn)彎曲測量復(fù)合材料面外剛度的方法所得到的復(fù)合材料面外剛度數(shù)據(jù)結(jié)果用于有限元分析精度高，試驗件制備簡單，試驗方法簡便，提高了數(shù)據(jù)的精度，縮短了設(shè)計周期。
【IPC分類】G01N3/20
【公開號】CN105181480
【申請?zhí)枴緾N201510494369
【發(fā)明人】賈欲明
【申請人】中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計研究所
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月13日