一种分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征的方法

1.本发明属于纤维复合材料损伤测试、纤维复合材料力学性能评价领域，特别涉及一种分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征的方法。


背景技术：

2.纤维复合材料是采用单向纤维复合材料通过不同角度铺层得到，因此单向纤维复合材料的力学性能是纤维复合材料力学性能的基础。单向纤维复合材料具有高抗拉强度、高耐腐蚀性及高比强度等优点，单向纤维复合材料主要利用其内纤维优异的抗拉性能，单向纤维断裂后由于基体的黏结作用，破断纤维在离开断点一段范围后可以继续承载。
3.通常而言，单向纤维复合材料的细观损伤包括以下几类：1.纤维与基体脱黏；2.基体开裂；3.纤维断裂。这些细观损伤在荷载、环境及其耦合作用下不断演化发展，并最终由于单向纤维复材内纤维断裂并形成损伤临界聚类控制单向纤维复材的破坏。
4.现有基于光学成像方法对单向纤维复合材料试件有严格的要求，目前相关测试手段和表征方法无法满足单向纤维复材损伤演化测试、损伤聚类评价与损伤表征方法的需求，亟需通过有效的测试与表征方法定量评价单向纤维复材的损伤演化历程。


技术实现要素：

5.本发明提供一种新的表征方法，解决现有技术中光学测试难以实现单向纤维复合材料在不同荷载、不同环境及不同荷载与环境耦合条件下损伤演化历程的连续分布式测试与表征的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征的方法，包括以下步骤：
8.步骤s1：选取纤维及基体，确定纤维的体积含量，并控制单模传感光纤在单向纤维复合材料的位置分布，将纤维、基体与单模传感光纤成型为单向纤维复合材料；
9.步骤s2：采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，采集光纤单模传感光纤应变，进行单向纤维复合材料损伤的测试与表征。
10.进一步的，单模传感光纤分布于单向纤维复合材料横截面的中心、边缘以及内部，单模传感光纤在单向纤维复合材料横截面边缘以及内部均采用沿周向等间距分布。
11.进一步的，步骤s1中单向纤维复合材料采用压模真空注塑或拉挤成型工艺制作。
12.进一步的，步骤s2包括：
13.步骤s21：对单向纤维复合材料内预埋的单模传感光纤进行初始标定，确定传感光纤相对位置与初始状态；
14.步骤s22：设定荷载步并施加荷载，采集单模传感光纤内的应变，并计算单向纤维复合材料通长范围内每单位分辨率长度范围内所有嵌入单模传感光纤应变平均值，计算不同位置处截面刚度变化；
15.步骤s23：重复步骤s22直至单向纤维复合材料丧失稳定承载能力，根据不同荷载步间应变和应变梯度变化率，确定不同荷载步刚度退化速率，根据应变突变出现的位置及其影响范围，确定单向纤维复合材料的损伤演化、最大损伤局部区域的损伤临界聚类与刚度退化率。
16.进一步的，步骤s21中初始标定，通过局部小区域升降温的方式确定光纤应变突变位置，确定自由段全部光纤感知的相对位置关系。
17.进一步的，步骤s23中包括：根据应变集中区域全部传感光纤的平均应变，通过当前刚度与初始刚度的比值确定损伤大小，确定该区域的刚度退化及其速率；根据应变突变出现的位置及其影响范围，确定单向纤维复合材料的损伤演化、最大损伤局部区域的损伤临界聚类。
18.同时，本发明提供了一种用于上述方法的装置，包括刚性护套、高空间分辨率光频域反射光纤解调仪、疲劳试验机、夹具，其中夹具设置于疲劳试验机上，刚性护套可通过夹具固定于试验机上，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪与固定于试验机上的单向纤维复合材料试件内的单模传感光纤连接，疲劳试验机向单向纤维复合材料施加荷载，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪对单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试。
19.本发明还进一步提供了一种上述装置的使用方法，包括以下步骤：
20.步骤s1’：制作单向纤维复合材料试件，确定所述单向纤维复合材料试件自由段长度；
21.步骤s2’：将自由段外两端的夹持段黏结锚固于刚性护套；
22.步骤s3’：将单向纤维复合材料试件通过刚性护套固定于试验机的夹具上；
23.步骤s4’：夹持段外两侧每根预埋的单模传感光纤与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪进行连接；
24.步骤s5’：标定单向纤维复合材料试件的初始状态；
25.步骤s6’：通过荷载步分步加载的方式对单向纤维复合材料试件施加荷载，采集全部单模传感光纤内应变信息，进行单向纤维复合材料损伤的测试与表征。
26.本发明提供的技术方案与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
27.上述方案中，本发明根据光纤高空间分辨率应变传感的功能(采用光频域反射(ofdr)原理实现)，有效解决了现有技术中光学方法无法表征与评价单向纤维复合材料细观损伤的方法的技术问题，其能实现不同工况下单向纤维复合材料细观损伤演化的表征，为单向纤维复合材料损伤发生、发展及演化全过程的表征与评价提供解决思路与方法。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例提供的一种分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征的方法流程图；
30.图2为本发明实施例提供的分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征试验装置；
31.图3为本发明实施例提供的单向纤维复合材料试件；
32.图4为本发明实施例提供的单向纤维复材内预埋单模光纤与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪连接示意图；
33.图5为本发明实施例提供的单向纤维复合材料内传感光纤布设示意图。
具体实施方式
34.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
35.如图1所示，本发明实施例提供了一种分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征的方法，包括：
36.步骤s1：选取纤维及基体，确定纤维的体积含量，并控制单模传感光纤在单向纤维复合材料的位置分布，将纤维、基体与单模传感光纤成型为单向纤维复合材料；
37.步骤s2：采用毫米级高空间分辨率应变传感技术，对所述单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试，采集光纤单模传感光纤应变，进行单向纤维复合材料损伤的测试与表征。
38.下面结合图2-图5，详细说明本发明实施例的一种分布式单向纤维复合材料损伤测试与表征的方法。
39.以圆形截面直径4mm的单向碳纤维复材筋为例，采用t700sc碳纤维，控制纤维体积含量66％，采用双酚a环氧树脂作为基体材料，在其拉挤成型过程中通长嵌入10根单模传感光纤1，其中6根分别位于圆形截面边缘距表面0.2mm处，间隔π/3弧度，3根分别位于圆形截面边缘距表面1mm处，间隔2π/3弧度，1根位于截面圆心处。
40.下面以该单向纤维复材在等幅拉-拉疲劳荷载作用下碳纤维断点不断增加，损伤不断累积，并最终发生破坏时损伤演化全过程、损伤临界聚类、临界截面刚度确定为例阐述本发明所能达到的功能和效果。
41.单向纤维复合材料试件2自由段长度100mm，如图2-图5所示，自由段外两端采用刚性护套3通过黏结锚固设计相应的夹持段4，夹持段外两侧每根预埋的单模传感光纤1预留出一段长度保证与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪5进行连接，将制作好的单向纤维复材试件2通过夹持段4固定于疲劳试验机6的夹具7上。
42.开始疲劳试验前通过单向纤维复材两端分别对单向纤维复材内预埋的传感光纤进行标定确定初始状态，通过局部升降温的方式确定单向纤维复材内光纤应变突变位置，及其位于截面的相对位置，空间分辨率精确至1mm，确定自由段全部光纤感知的相对位置关系及其初始应变。
43.设定疲劳荷载幅每循环1万周后停止疲劳试验并持荷在应力上限，采集各传感光纤内的应变，其中应变采集的空间分辨率为1mm。通过计算单向碳纤维复材通长范围内每毫米上10根单模传感光纤实测应变的平均值，计算不同位置处截面刚度是否发生变化。
44.如果此状态下，某根光纤上存在局部应变集中(应变梯度)，说明该光纤应变集中位置处存在纤维破坏，根据该位置处全部光纤上的平均应变估计刚度退化。以此类推，评价应变突变出现的位置及其影响范围，确定单向纤维复材在疲劳过程中的损伤演化，疲劳荷载作用下单向纤维复材的破坏由其内纤维破断控制，当疲劳循环次数达到单向纤维复材疲
劳寿命并发生破坏时根据其前一步(上一个1万周疲劳循环)疲劳循环时的所形成最大损伤局部区域确定损伤临界聚类与该区域刚度退化率，并根据各传感光纤应变变化过程判断局部区域损伤的发展历程。
45.若疲劳循环200万次后单向纤维复材未发生破断，则停止疲劳试验，采用应变控制分步加载，每加载500με时采集各传感光纤上的应变与应变梯度，识别局部损伤区并计算损伤区刚度退化及其变化速率，每步应变加载重复类似上述疲劳加载步的损伤表征过程，当单向纤维复材达到其疲劳剩余强度时发生破断，确定疲劳循环200万次后控制单向纤维复材剩余强度破坏时损伤演化历程。也可以在某一疲劳循环次数后重复上述应变加载步，确定在该疲劳循环次数下单向纤维复材疲劳剩余强度破坏时损伤演化及刚度退化。
46.当单向纤维复材内的受力纤维达到其极限强度或极限应变时纤维丝发生破断，由于基体的粘结作用破断纤维在断点位置处的轴向荷载通过剪应力传递给周围未断纤维，断点位置处未断纤维上产生应力集中，周围未断纤维拉应力增大、破坏风险增加。在外部荷载、环境或其耦合作用下，单向纤维复材内不断形成新的断点或由于应力重分布在已有断点附近进一步形成新的断点，由于某一区域内破断纤维不断增加，该区域刚度降低，该区域内的传感光纤感知的应变及变化速率发生改变，且该区域与附近区域的应变梯度及其变化速率也发生改变，根据截面不同传感光纤的应变数据可以判断该区域截面断丝数量较多的位置，根据该区域全部传感光纤的平均应变确定该区域的刚度退化，通过当前刚度与初始刚度的比值确定损伤大小，随着损伤不断发展演化，单向纤维复材在某一区域的断丝逐渐增加形成临界损伤聚类并发生破坏，根据该区域各传感光纤应变数值确定损伤区域位置，判断损伤是否形成于单向纤维复材的截面边缘，根据破坏前该区域上传感光纤的应变、应变梯度及其变化速率确定破坏时截面刚度退化的临界状态，表征单向纤维复材的损伤演化及破坏时的临界损伤，进一步根据刚度退化估计该区域损伤临界聚类。
47.同时，本发明提供了一种用于上述方法的装置，包括刚性护套、高空间分辨率光频域反射光纤解调仪、疲劳试验机、夹具，其中夹具设置于疲劳试验机上，刚性护套可通过夹具固定于试验机上，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪与固定于试验机上的单向纤维复合材料试件内的单模传感光纤连接，疲劳试验机向单向纤维复合材料施加荷载，高空间分辨率光频域反射光纤解调仪对单向纤维复合材料进行光纤高空间分辨率应变测试。
48.本发明还进一步提供了一种上述装置的使用方法，包括以下步骤：
49.步骤s1’：制作单向纤维复合材料试件，确定所述单向纤维复合材料试件自由段长度；
50.步骤s2’：将自由段外两端的夹持段黏结锚固于刚性护套；
51.步骤s3’：将单向纤维复合材料试件通过刚性护套固定于试验机的夹具上；
52.步骤s4’：夹持段外两侧每根预埋的单模传感光纤与高空间分辨率光频域反射光纤解调仪进行连接；
53.步骤s5’：标定单向纤维复合材料试件的初始状态；
54.步骤s6’：通过荷载步分步加载的方式对单向纤维复合材料试件施加载荷，采集全部单模传感光纤内应变信息，进行单向纤维复合材料损伤的测试与表征。
55.通过上述过程实现疲劳荷载作用下单向纤维复材损伤测试与表征。由于单向纤维复材的破坏具有一定的离散性，重复上述试验可以得到指定工况(给定疲劳荷载上、下限，
给定疲劳循环次数)下表征单向纤维复材损伤及刚度退化特征参数的概率特征。
56.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。