[发明专利]复合材料断裂过程中裂纹尖端扩展长度实时测量方法

说明书

本发明一种复合材料断裂过程中裂纹尖端扩展长度实时测量方法。具体涉及一种在包含裂纹的双悬臂梁等效柔度基础上，使用实验测试的载荷‑位移数据直接实时确定裂纹扩展长度的方法。本发明提供一种无需额外光学数字图像设备辅助，直接获取复合材料断裂测试过程中裂纹扩展长度的方法，大大降低了测试成本。该方法在载荷‑位移测试数据基础上，通过计算含裂纹DCB梁的等效柔度，将裂纹扩展长度和测试过程中的载荷‑位移数据建立联系，实现实时、定量监测裂纹扩展长度；本发明考虑了DCB梁测试中，悬臂梁由于弯曲和剪切变形而产生的挠度贡献，提高了最终断裂韧性的计算精度。

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种双悬臂梁(DCB)测试复合材料断裂过程中裂纹尖端扩展长度实时测量方法。具体涉及一种在包含裂纹的双悬臂梁等效柔度基础上，使用实验测试的载荷-位移数据直接实时确定裂纹扩展长度的方法。

背景技术

由于纤维增强复合材料具有高比强度，高比模量的优点，现阶段已经在航空航天和汽车电子领域获得广泛的应用。然而由于复合材料中基体部分承载能力的限制，使得层间脱粘开裂成为复合材料层板的主要破坏形式之一。尤其是在复合材料结构件的自由边界和因去除加工而产生初始缺陷的地方。因此，作为衡量复合材料抵抗脱粘开裂能力的重要参数-断裂韧性，便在复合材料的应用过程中具有重要的意义。该参数的精准定义不仅能为结构设计提供重要参考，也可以为纤维增强复合材料的断裂损伤行为研究提供依据。

目前，常使用DCB方法测试复合材料的Ⅰ型断裂韧性，根据ASTM(American Societyof Testing Materials)D5528实验测试标准，要获得断裂韧性参数，除了需要测量裂纹扩展过程中的载荷与载荷施加点处的位移之外，还需测量裂纹尖端的扩展长度。由于实验中复合材料裂纹尖端区域形状较为复杂，采用肉眼观测方式很难确定裂纹尖端的真实位置，从而造成裂纹扩展长度的测量和材料断裂韧性的计算产生较大误差。

文献Arrese A,Boyano A,Gracia J D,et al.A novel procedure to determinethe cohesive law in DCB tests[J].Composites ScienceTechnology,2017,152:76-84.中提到在实验中加以辅助光学数字图像相关设备如(DIC或者线性电压差动变压器(LVDT))来获得裂纹扩展长度的方法。尽管采用额外的光学等辅助设备可以获得DCB测试中裂纹的相对扩展长度，但是这些光学设备通常非常昂贵，大大的增加了实验的成本。

在专利号为201410805431.5的发明专利中，发明人通过设计夹具，将DCB试样的裂尖位置进行显示放大，以提高裂纹尖端扩展长度的可观测性。但这些非标夹具的设计和制造会增加研究成本，且对于纤维增强复合材料而言，由于裂尖具有形状不规整的特点，采用此方法依然存在观测难度。

发明内容

要解决的技术问题：为了克服现有技术中采用DCB方法测试复合材料断裂韧性过程中，裂纹尖端扩展长度难以实时确定的难题。本发明提供一种无需额外光学数字图像设备辅助，直接获取复合材料断裂测试过程中裂纹扩展长度的方法。该方法在载荷-位移测试数据基础上，通过计算含裂纹DCB梁的等效柔度，将裂纹扩展长度和测试过程中的载荷-位移数据建立联系，实现实时、定量监测裂纹扩展长度；该方法可应用于纤维增强复合材料，也可为生物复合材料，骨料结构材料等其他复合材料的断裂测试过程中裂纹扩展长度的确定提供重要补充。

本发明的技术方案是：一种复合材料断裂过程中裂纹尖端扩展长度实时测量方法，其特点在于具体步骤如下：

步骤一：制备Ⅰ型复合材料断裂测试的DCB梁标准试样，将所述DCB梁标准试样装夹在力学测试仪器中进行测试，记录各个阶段夹头的载荷P和位移δ的数据；