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一种碳纤维增强复合材料层板II型层间断裂韧性的预测方法

2022-11-30 15:13:34 来源:中国专利 TAG:

一种碳纤维增强复合材料层板ii型层间断裂韧性的预测方法
技术领域
1.本发明涉及纤维增强复合材料ii型层间断裂韧性预测的技术领域,具体涉及一种碳纤维增强复合材料层板任意界面角度下分层断裂韧性的预测方法。


背景技术:

2.复合材料以其高比模量和比强度而闻名,因此在许多对重量和质量双重要求都很高的工程应用中得到运用。航空航天工业越来越多的使用复合材料部件来满足其更轻的重量要求并降低燃料消耗。碳纤维复合材料抗振动性优越、抗疲劳性能好以及可设计性强。现代飞机的先进性指标之一就是复合材料的用量占比,我国大型客机c919的复合材料用量占比约为12%。相比于国外先进客机超过一半的用量占比,我国复合材料的研究需要进一步加强。另外,复合材料在航空应用的另一重要领域是航空发动机的风扇叶片。与金属风扇叶片相比较,复合材料制成的叶片优点非常多,优势明显。利用复合材料加工成的叶片具有较高的损伤容限能力。传统的金属或者合金叶片,随服役时间的增长,根部一般都会出现各种形状的裂纹,裂纹如果继续扩展会极大危害叶片工作的安全性。通过一定的铺层设计和结构设计,复合材料叶片在有缺口的情况下,扩展的可能性很小。目前,对发展高性能飞机结构的需求越来越强烈,开展复合材料断裂损伤行为研究是迎合这一发展目标的。
3.复合材料制成的构件,一般均为层合板结构。利用复合材料结构的可设计性,一般需要对铺层角度进行优化设计。复合材料层合板由单向纤维层按照设计的顺序和角度铺设,再经过一系列粘合固化等制作而成。复合材料层合板相比于单层复合材料优势明显。主要表现为两点,第一是层合板的断裂韧性稳定值远高于单向板;第二是合理的铺层设计可以显著提高层合板抵抗分层扩展的能力。所以,在大多数实际应用中均使用复合材料层合板结构。
4.对分层的敏感性是许多先进多层复合结构的主要设计问题之一。分层现象限制了多相复合材料的韧性和延展性,刚度和强度也受到分层的显著影响,分层通常在没有事先迹象的情况下造成不可挽回的灾难性事故,促使了学术和工业界对复合材料界面失效的大量研究。在大多数分层扩展行为中,iii型所占的比例最低,主要研究均集中在i型、ii型和i/ii复合型。ii型静力分层扩展行为研究将为相关受载形式的复合材料层合板设计中的选材、铺层设计和结构优化提供重要理论依据。准确测定ii型断裂韧性对复合材料结构的设计非常重要。虽然已经建立了不同的测试方法,例如端部缺口弯曲(enf)、端部加载劈裂(els)、四点enf(4enf)测试。然而,对ii型分层的研究仍然有限,主要集中在单向层板。此外,多向层板在实际工程中的应用更为广泛,而相关研究比单向层板更为少见。大多数研究人员从定性的角度对多向层板的ii型分层扩展行为进行了分析,而没有定量考虑ii型断裂韧性与界面角之间的关系。
5.现有的大量试验研究表明界面角度对复合材料层板断裂韧性影响显著。分层可能发生在任意界面,实验测定所有界面下的复合材料断裂韧性将耗费较大的实验资源,也不可能通过实验手段穷尽所有可能出现的情形。通过测定有限的、特定界面角度下的分层断
裂韧性,建立可预测其他界面角度下层间断裂韧性的理论模型是理想的选择。因此,有必要建立一个便于工程应用的ii型层间断裂韧性的预测模型。


技术实现要素:

6.本发明要解决的技术问题为:提供一种预测碳纤维增强复合材料层板ii型层间断裂韧性的方法。提出的以界面角度为自变量的碳纤维增强复合材料层板ii型层间断裂韧性的理论公式,可利用两种典型界面的碳纤维增强复合材料层板的断裂韧性测试结果,预测任意其他界面角度下的碳纤维增强复合材料层板ii型断裂韧性,因此可以显著缩短试验周期,降低试验成本。
7.本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:一种碳纤维增强复合材料层板ii型层间断裂韧性的预测方法,包括以下步骤:
8.步骤1,设计制造具有0
°
/0
°
、22.5
°
/-22.5
°
、45
°
/-45
°
、90
°
/90
°
、0
°
/45
°
、0
°
/90
°
分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样;
9.步骤2,对上述复合材料层板试样,采用端部缺口弯曲(enf)装置开展ii分层试验,利用梁理论处理实验记录的载荷、位移和分层长度数据,获得ii型层间断裂韧性的试验值;
10.步骤3,采用abaqus软件建立enf试验的三维有限元模型,裂尖采用奇异性单元以准确捕获裂尖应力场;编写用户自定义子程序,定义材料失效准则,获得不同界面角度铺层试样的裂尖损伤区,基于损伤区大小和裂纹尖端应力场分析,提出复合材料层板ii型断裂韧性的理论模型;
11.步骤4,将试验获得的0
°
/0
°
界面试样断裂韧性g
iic
(0
°
,0
°
)和0
°
/90
°
界面试样断裂韧性g
iic
(0
°
,90
°
)代入理论模型,计算得到模型参数b1和b2;
12.步骤5,利用获得的b1和b2数据,以及上述步骤3的复合材料层板ii型断裂韧性理论模型,预测任意其他θ1/θ2界面试样的ii型断裂韧性,通过对比预测值与试验结果,验证理论模型的有效性。
13.进一步地,碳纤维增强复合材料层板可以是不同材料体系,如t300、t700、t800、t1000与不同树脂结合的单向带预浸料制成的;
14.进一步地,步骤2中ii型层间断裂韧性的具体计算公式为:
[0015][0016]
其中,p和δ分别是对试样施加的载荷与位移,a和b分别是试样的有效分层长度和宽度,l是跨距;
[0017]
进一步地,步骤3中采用修正的最大应力失效准则评估裂纹尖端的损伤区;根据修正的最大应力失效准则,考虑到复合材料层板的横观各向同性,基体开裂由遵循莫尔圆理论的最大主应力决定,最大主应力和基体开裂角度分别表示为:
[0018]
[0019][0020]
其中,σ
22
、σ
23
、σ
33
是单层横向面内主轴坐标系下的应力分量;根据修正的最大应力失效准则,当最大主应力超过单向层板的平面内剪切强度时,相邻层板内的基体开裂,且基体开裂角度垂直于最大主应力方向;为评定分层中临近分层界面铺层的损伤深度,选定满足能量释放率等于分层断裂韧性时的数值计算步为“基准时刻”;因此评估分层扩展过程中临近分层界面铺层损伤的准则可表示为:
[0021][0022]
其中,f是层内损伤的失效指数,是层板的面内就位剪切强度;修正后的最大应力破坏准则通过用户子程序uvarm在abaqus中实现,失效指数f被定义为单元输出量。
[0023]
进一步地,步骤3中将任意界面多向层板的ii型分层断裂韧性分为三个部分:一部分是界面无关的断裂功,第二部分是与界面相邻两个铺层相关的基体损伤,第三部分是这两个铺层的交互作用造成的基体损伤;在ii型载荷下,垂直于纤维方向的面内应力将导致层内损伤和横向开裂,该应力是一个与界面角度相关的正弦函数;基于损伤区宽度大小和裂纹尖端应力场分析,推导得到复合材料层板ii型断裂韧性的理论模型,理论模型的具体表达式如下:
[0024]giic
(θ1,θ2)=g0 b1(sin|θ1| sin|θ2|) b2sin(2|θ1 θ2|)
[0025]
其中,g
iic
(θ1,θ2)代表任意具有θ1/θ2界面试样的ii型断裂韧性,g0的值等于0
°
/0
°
界面试样断裂韧性g
iic
(0
°
,0
°
),b1和b2为模型参数。该模型为层板任意分层界面角度情形下ii型分层断裂韧性的解析公式,该公式以临近分层界面铺层的角度为自变量,可充分反映ii型断裂韧性的分层界面角度依赖性。
[0026]
本发明与现有技术相比的优点在于:
[0027]
(1)本发明的针对现有研究无法预测碳纤维增强复合材料层板任意界面下ii型断裂韧性的问题,提出了一个便于工程应用的预测方法。
[0028]
(2)本发明可通过对典型界面角度下层板分层断裂韧性的试验测试,预测任意界面角度下碳纤维增强复合材料层板i型断裂韧性,故可显著减少试验测试的工作量,降低试验成本。
[0029]
(3)本发明的预测结果已经过试验验证,预测值与试验测得值有较好的一致性,表明本发明预测方法具有较好的适用性。
附图说明
[0030]
图1是本发明的实现流程图;
[0031]
图2是enf试样构型和几何尺寸示意图(单位:mm);
[0032]
图3是enf试样加载示意图与实物图;
[0033]
图4是enf试样有限元模型及裂尖网格;
[0034]
图5是基于应力状态的层内基体开裂分析;
[0035]
图6是不同界面试样的裂纹尖端层内损伤区状态。
具体实施方式
[0036]
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
[0037]
本发明一种碳纤维增强复合材料层板ii型层间断裂韧性的预测方法,具体实现步骤如下:
[0038]
步骤1:根据astm标准d7905/d7905m-14设计并制造具有0
°
/0
°
、22.5
°
/-22.5
°
、45
°
/-45
°
、90
°
/90
°
、0
°
/45
°
、0
°
/90
°
分层界面的碳纤维增强复合材料层板试样。所有界面试样采用如图2所示相同的构型和几何尺寸。碳纤维增强复合材料层板可以采用t300、t700、t800、t1000等碳纤维/树脂的单向带预浸料。以t800/x850碳纤维环氧复合材料预浸料制备试样为例,在试样一端的中面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜或与之等效的薄膜得到预制裂纹,薄膜必须平整,厚度小于0.015mm。
[0039]
步骤2:开展ii型静力分层扩展试验,图3为试验装置示意图。加载头和支座与试样接触表面应为圆柱面;加载头半径和支座半径为5.0
±
0.1mm,支柱之间跨距2l为100mm,有效裂纹长度a等于25mm;加载模式为位移控制,选取较低的加载速率(1-2mm/mi)保证分层扩展的缓慢稳定。试验过程中实时记录所施加的载荷、位移和分层扩展长度。每种分层界面的有效试样数不得少于3个。
[0040]
所述步骤2采用基于梁理论的方法计算ii型分层断裂韧性g
iic
,具体计算公式为:
[0041][0042]
其中,p和δ分别是对试样施加的载荷与位移,a和b分别是试样的有效分层长度和宽度,l是跨距;测得的六种不同界面试样的ii型断裂韧性结果列于表1中。
[0043]
表1 ii型分层断裂韧性试验值与预测值对比
[0044][0045]
步骤3:采用abaqus软件建立如图4所示的enf试样三维有限元模型,其中,裂尖采用奇异性单元以准确捕获裂尖应力场;编写用户自定义子程序,定义材料失效准则,获得不同界面试样的裂尖损伤区。
[0046]
所述步骤3采用修正的最大应力失效准则评估裂纹尖端的损伤区;根据修正的最大应力失效准则,考虑到复合材料层板的横观各向同性,基体开裂由遵循莫尔圆理论的最大主应力决定,最大主应力和基体开裂角度分别表示为:
[0047]
[0048][0049]
其中,σ
22
、σ
23
、σ
33
是单层横向面内主轴坐标系下的应力分量;根据修正的最大应力失效准则,当最大主应力超过单向层板的平面内剪切强度时,相邻层板内的基体开裂,且基体开裂角度垂直于最大主应力方向,如图5所示;为评定分层中临近分层界面铺层的损伤深度,选定满足能量释放率等于分层断裂韧性时的数值计算步为“基准时刻”;因此评估分层扩展过程中临近分层界面铺层损伤的准则可表示为:
[0050][0051]
其中,f是层内损伤的失效指数,是层板的面内就位剪切强度;修正后的最大应力破坏准则通过用户子程序uvarm在abaqus中实现,失效指数f被定义为单元输出量;所计算得到的裂尖层内损伤区状态如图6所示。
[0052]
在多向层板的ii型分层扩展过程中,分层界面周围的扩展路径并不是平直的,裂纹不是在两铺层之间的界面上扩展,而是在界面附近的两铺层内扩展,因此所测得的断裂韧性要考虑裂纹扩展所在铺层的角度,并要考虑界面临近两铺层对称与非对称性带来的差异。所述步骤3将任意界面多向层板的ii型分层断裂韧性分为三个部分:一部分是界面无关的断裂功,第二部分是与界面相邻两个铺层相关的基体损伤,第三部分是这两个铺层的交互作用造成的基体损伤;在ii型载荷下,垂直于纤维方向的面内应力将导致层内损伤和横向开裂,该应力是一个与界面角度相关的正弦函数;基于损伤区宽度大小和裂纹尖端应力场分析,提出复合材料层板ii型断裂韧性的理论模型,理论模型的具体表达式如下:
[0053]giic
(θ1,θ2)=g0 b1(sin|θ1| sin|θ2|) b2sin(2|θ1 θ2|)
[0054]
其中,g
iic
(θ1,θ2)代表任意具有θ1/θ2界面试样的ii型断裂韧性,g0的值等于0
°
/0
°
界面试样断裂韧性g
iic
(0
°
,0
°
),b1和b2为模型参数;该模型为层板任意分层界面角度情形下ii型分层断裂韧性的解析公式,该公式以临近分层界面铺层的角度为自变量,可充分反映ii型断裂韧性的分层界面角度依赖性;
[0055]
步骤4:将试验获得的0
°
/0
°
界面试样断裂韧性g
iic
(0
°
,0
°
)和0
°
/90
°
界面试样断裂韧性g
iic
(0
°
,90
°
)代入步骤3中提出的理论模型,确定模型参数b1和b2的值分别为543.97j/m2和1504.94j/m2;
[0056]
步骤5:以前述步骤中获得的b1和b2数据为基本参数,利用下式所示以分层界面角度为自变量的断裂韧性的预测公式,对其他界面试样的ii型断裂韧性进行预测,预测结果列于表1中。可见预测结果与试验结果相对误差小于7.5%,吻合较好。验证了本发明提出的一种碳纤维增强复合材料层板ii型层间断裂韧性的预测方法的适用性。
[0057]
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
[0058]
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。
再多了解一些

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