基於AML方法的複合材料開孔拉伸強度設計許用值試驗方法與流程
2023-07-04 22:30:16 2
本發明屬於飛機複合材料結構強度試驗領域，尤其涉及一種基於AML方法的複合材料開孔拉伸強度設計許用值試驗方法。
背景技術：
：現有獲得複合材料開孔拉伸強度設計許用值的試驗方法大多採用毯式曲線法，毯式曲線法中鋪層角度包括0°、-45°、+45°、90°，鋪層百分比數不小於10％。通過毯式曲線方法獲得複合材料開孔拉伸強度設計許用值的試驗就是要將圖1陰影部分按照試驗標準和規範儘可能填充充分。AML(AngleMinusLongitudinal)方法被應用在對稱、均衡的層合板中，層合板包括0°，90°和±45°角度層，且每一角度層所佔百分比不小於10％。AML由角度層(±45°)百分比減去縱向纖維層(0°)得出。當層合板不均衡時，AML由下式表式：所以層合板有低百分比的角度層或高百分比的縱向層，AML都會很低。AML反映的是層合板在缺陷周邊或纖維中斷後的載荷重新分配能力，亦反映缺陷周遍的應力嚴重係數，圖2表明：角度層百分比越高，衝擊後壓縮強度和開孔拉伸強度越高。技術實現要素：本發明的目的是提供一種於AML方法的複合材料開孔拉伸強度設計許用值試驗方法，解決以往試驗方法所獲得的複合材料開孔拉伸設計試驗件數量多，試驗複雜，試驗周期長，試驗考慮影響因素不夠全面的工程實際，為獲得複合材料開孔拉伸強度設計許用值提供一種先進的試驗方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：1、一種基於AML方法的複合材料開孔拉伸強度設計許用值試驗方法，其特徵在於，包括如下步驟：第一階段：通過積木式試驗元件級試驗獲取工藝批次影響因子CBB、溼熱環境影響因子CEN、厚度影響因子CTH、開孔直徑影響因子CD、寬度-直徑比影響因子CW/D和開孔拉伸強度基本值SBASE；第二階段：通過獲取的上述影響因子計算開孔拉伸強度設計許用值SOHT-ALL，計算公式為SOHT-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D。進一步地，第一階段中，將試驗件規劃成三種AML值的試驗件組，形成第一試驗件組、第二試驗件組及第三試驗件組，第一試驗件組的AML值為-28，第二試驗件組的AML值為0，第三試驗件組的AML值為25，從而獲得工藝批次影響因子CBB、溼熱環境影響因子CEN、厚度影響因子CTH、開孔直徑影響因子CD、寬度-直徑比影響因子CW/D和開孔拉伸強度基本值SBASE。進一步地，獲取所述工藝批次影響因子CBB的過程為：採用B基準值簡化採樣試驗矩陣形式，分別從第一試驗件組抽取18個第一試驗件、從第二試驗件組抽取18個第二試驗件、從第三試驗件組抽取18個第三試驗件；每組均採用3個批次預浸料、2個固化循環，18個試驗件；在溼熱環境、幾何參數、鋪層順序等條件完全相同情況下，通過如下公式計算所述工藝批次影響因子CBB，σB基準值/RTD——代表室溫幹態狀態的B基準值；σ平均/RTD——代表室溫幹態狀態的平均失效應變。進一步地，所述溼熱環境影響因子CEN的獲取過程為：獲取同一材料批次、同一固化工藝、相同幾何參數的第一試驗件、第二試驗件及第三試驗件均18個，並均分成3組，一組試驗件進行低溫幹態CTD試驗、另一組試驗件進行室溫幹態RTD試驗，最後一組試驗件進行高溫溼態ETW試驗用於得到溼熱環境影響因子CEN，所述溼熱環境影響因子CEN通過如下公式得：CEN＝Si/SRTDSi——代表高溫溼態ETW或低溫幹態CTD平均失效應變；SRTD——代表室溫幹態平均失效應變。進一步地，所述厚度影響因子CTH的獲取過程為：自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、幾何參數中僅厚度不同的試驗件各18件，並均分成3組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗，並通過如下公式得到厚度影響因子CTH：CTH＝(St/S0.18)St——代表不同厚度平均拉伸失效應變；S0.18——代表0.18in厚度平均拉伸失效應變；進一步地，所述開孔直徑影響因子CD的獲取過程為：自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、幾何參數中僅開孔直徑不同的試驗件各36件，並均分成6組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗，並通過如下公式得到直徑影響因子CD：CD＝(SD/S1/4)SD——代表不同直徑試驗件平均壓縮失效應變；S1/4——代表直徑為1/4in試驗件平均壓縮失效應變。進一步地，所述寬度-直徑比影響因子CW/D的獲取過程為：自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、幾何參數中僅寬度-直徑比不同的試驗件各36件，並均分成6組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗，並通過如下公式得到所述寬度-直徑比影響因子CW/D：CW/D＝(SW/D/S5)SW/D——代表不同寬度-直徑比試驗件平均壓縮失效應變；S5——代表寬度-直徑比為5試驗件平均壓縮失效應變。進一步地，所述填孔壓縮強度基本值SBASE的獲取過程為：自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、相同幾何參數的試驗件各42件，並均分成7組，每組的試驗件均進行低溫幹態CTD試驗、室溫幹態RTD試驗和高溫溼態ETW試驗，用於得到填孔壓縮強度基本值SBASE。本發明具有以下有益的效果：本發明與以往試驗方法相比，具有試驗件數量更少，試驗周期更短，試驗經費更少，考慮影響因子更全面，所獲開孔拉伸設計許用值更接近工程實際的技術特點。該發明為軍、民機複合材料結構獲取開孔拉伸強度設計許用值提供了新的可行試驗方法。附圖說明此處的附圖被併入說明書中並構成本說明書的一部分，示出了符合本發明的實施例，並與說明書一起用於解釋本發明的原理。圖1為本發明一實施例的結構設計中的典型毯式曲線示意圖。圖2為本發明一實施例的典型的AML曲線示意圖(碳纖維)。圖3為本發明一實施例的工藝批次影響因子與AML關係曲線示意圖。圖4為本發明一實施例的溼熱環境影響因子與AML關係曲線示意圖。圖5為本發明一實施例的厚度影響因子與AML關係曲線示意圖。圖6為本發明一實施例的開孔直徑影響因子與AML關係曲線示意圖。圖7為本發明一實施例的寬度-直徑比影響因子與AML關係曲線示意圖。圖8為現有技術的開孔拉伸強度基本值與AML關係示意圖。圖9為本發明的開孔拉伸試驗件典型幾何尺寸示意圖。圖10為本發明的流程示意圖。具體實施方式為使本發明實施的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例型的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造型勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明保護範圍的限制。本發明的基於AML方法的複合材料開孔拉伸強度設計許用值試驗方法，作為一種獲得複合材料開孔拉伸強度設計許用值的試驗方法，並結合積木式試驗元件級試驗展開，試驗夾具和試驗矩陣按ASTM5766/D5766進行，試驗件尺寸為「1.25in×12in」。獲取開孔拉伸設計許用值SOHT-ALL的過程分為二個階段(如圖10所示)：第一階段：將試驗件規劃成三種AML值的試驗件組，形成第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組，三個試驗件組的AML值分別為-28、0和25，之後獲取對複合材料開孔拉伸強度設計許用值具有顯著影響的工藝批次影響因子CBB、溼熱環境影響因子CEN、厚度影響因子CTH、開孔直徑影響因子CD、寬度-直徑比影響因子CW/D和開孔拉伸強度基本值SBASE，每種AML值均需要做下述試驗。1)工藝批次影響因子採取B基準值簡化採樣(B18)試驗矩陣形式，分別從第一試驗件組抽取18個第一試驗件、從第二試驗件組抽取18個第二試驗件、從第三試驗件組抽取18個第三試驗件；試驗件採用3個批次預浸料、2個固化循環，共18個試驗件。在溼熱環境(採用室溫幹態條件試驗)、幾何參數(厚度、釘孔直徑、寬度-直徑比、非沉頭)、鋪層順序等條件完全相同情況下，工藝批次影響因子CBB用以下公式表示：σB基準值/RTD代表室溫幹態狀態3個批次，2個固化工藝的B基準值；σ平均/RTD代表室溫幹態狀態的平均失效應變。本實施例中的工藝批次影響因子CBB與AML的關係詳見圖3所示。2)溼熱環境影響因子自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、相同幾何參數(厚度、釘孔直徑、寬度-直徑比、非沉頭)的試驗件各18件，並均分成3組，一組進行低溫幹態CTD試驗、另一組進行室溫幹態RTD試驗和最後一組高溫溼態ETW試驗用於得到溼熱環境影響因子CEN，得到溼熱環境影響因子CEN的公式為：CEN＝Si/SRTDSi代表高溫溼態(ETW)或低溫幹態(CTD)平均失效應變；SRTD代表室溫幹態平均失效應變。本實施例中的溼熱環境影響因子CEN與AML的關係詳見圖4所示，獲取設計許用值時CEN＝Min(Si/SRTD)。3)厚度影響因子自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、幾何參數中僅厚度不同(其他參數如釘孔直徑、寬度-直徑比、非沉頭等相同)的試驗件各18件，並均分成3組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗用於得到厚度影響因子CTH，得到厚度影響因子CTH的公式為：CTH＝(St/S0.18)St代表0.12in或0.24in厚度平均拉伸失效應變；S0.18代表0.18in厚度平均拉伸失效應變。本實施例中的厚度影響因子CTH與AML的關係詳見圖5所示。獲取設計許用值時以0.18in厚度試驗件平均拉伸失效應變為基本值，其它厚度試驗件平均拉伸失效應變與0.18in厚度試驗件平均拉伸失效應變相比得出厚度影響因子CTH。4)開孔直徑影響因子自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、幾何參數中僅開孔直徑不同(其他參數如厚度、寬度-直徑比、非沉頭等相同)的試驗件各36件，並均分成6組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗用於得到開孔直徑影響因子CD：CD＝(SD/S1/4)SD代表直徑為5/32in、3/16in、5/16in、3/8in、1/2in試驗件平均拉伸失效應變；S1/4代表直徑為1/4in試驗件平均拉伸失效應變。本實施例中的開孔直徑影響因子CD與AML的關係詳見圖6所示。獲取設計許用值時以1/4in直徑試驗件平均拉伸失效應變為基本值，其它厚度試驗件平均拉伸失效應變與1/4in直徑試驗件平均拉伸失效應變相比得出厚度影響因子CD。5)寬度-直徑比影響因子自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、幾何參數中僅寬度-直徑比不同(其他參數如厚度、開孔直徑、非沉頭等相同)的試驗件各36件，並均分成6組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗用於得到開寬度-直徑比影響因子CW/D，得到開寬度-直徑比影響因子CW/D的公式為：CW/D＝(SW/D/S5)SW/D表寬度-直徑比為3、4、6試驗件平均拉伸失效應變；S5代表寬度-直徑比為5試驗件平均拉伸失效應變。本實施例中的寬度-直徑比影響因子CW/D與AML的關係詳見圖7所示。獲取設計許用值時以寬度-直徑比為5試驗件平均拉伸失效應變為基本值，其它寬度-直徑比試驗件平均拉伸失效應變與寬度-直徑比為5試驗件平均拉伸失效應變相比得出寬度-直徑比影響因子CW/D。6)開孔拉伸強度基本值SBASE自第一試驗件組、第二試驗件組和第三試驗件組中獲取同一材料批次、同一固化工藝、相同幾何參數(包括厚度、開孔直徑、寬度-直徑比、非沉頭)的試驗件各42件，並均分成7組，每組的試驗件均進行室溫幹態RTD試驗用於得到開孔拉伸強度基本值SBASE。獲取開孔拉伸強度基本值SBASE時，試驗件基本構型詳見表1。本實施例中的開孔拉伸強度基本值SBASE與AML的關係詳見圖8。表1試驗件基本構型項目構型統計數據平均值試驗環境室溫幹態(RTD)直徑(in)1/4厚度(in)0.18～0.26寬度-直徑比5孔非沉頭AML-28\0\25第二階段：通過如下公式得到開孔拉伸強度設計許用值SOHT-ALL：SOHT-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D。下表2是本實施例的試驗件(見圖9所示)並結合上述公式和附圖所得的AML分別為-28、0和25及厚度為0.2in、孔徑為1/4in、寬度-直徑比為5、沉頭深度為60％的層合板複合材料開孔拉伸強度設計許用值。表2開孔拉伸強度設計許用值註：低溫幹態CTD環境對開孔拉伸強度影響最低，上表計算時CEN取低溫幹態時因子。本發明的基於AML方法的複合材料開孔拉伸強度設計許用值試驗方法，試驗考慮因素全面周全，試驗方法簡單實用，充分考慮了工藝批次、溼熱環境、厚度、開孔直徑、寬度-直徑比對複合材料開孔拉伸設計許用值的顯著影響，並通過複合材料積木式單級試驗(元件級試驗)獲得所有影響因子和開孔拉伸強度基本值。本發明的試驗方法得出公式所示的6個因子曲線圖後，每一個AML值均對應唯一的開孔拉伸強度設計許用值。本發明的目的在於解決以往試驗方法所獲得的複合材料開孔拉伸設計試驗件數量多，試驗複雜，試驗周期長，試驗考慮影響因素不夠全面的工程實際，為獲得複合材料開孔拉伸強度設計許用值提供一種先進的試驗方法。本發明的試驗方法通過在第一階段規劃3種AML值的試驗件，AML值分別為-28、0和25，主要獲取對複合材料開孔拉伸強度設計許用值具有顯著影響的工藝批次影響因子CBB、溼熱環境影響因子CEN、厚度影響因子CTH、開孔直徑影響因子CD、寬度-直徑比影響因子CW/D和開孔拉伸強度基本值SBASE；第二階段通過公式得到開孔拉伸強度設計許用值SOHT-ALL。本發明的基於AML方法的複合材料開孔拉伸設計許用值試驗方法以複合材料積木式試驗元件級試驗為依託，通過試驗分別獲得對複合材料開孔拉伸強度設計許用值具有顯著影響的工藝批次影響因子、溼熱環境影響因子、厚度影響因子、開孔直徑影響因子、寬度-直徑比影響因子和開孔拉伸強度基本值。通過試驗獲得對複合材料開孔拉伸強度設計許用值影響因子全面翔實，最終獲得的開孔拉伸強度設計許用值符合工程實際，滿足適航和審定要求。本發明具有以下有益的效果：本發明與以往試驗方法相比，具有試驗件數量更少，試驗周期更短，試驗經費更少，考慮影響因子更全面，所獲開孔拉伸設計許用值更接近工程實際的技術特點。該發明為軍、民機複合材料結構獲取開孔拉伸強度設計許用值提供了新的可行試驗方法。以上所述，僅為本發明的最優具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。當前第1頁1 2 3