[发明专利]各向异性的疲劳和蠕变测试方案

说明书

描述了用于测试纤维增强的热塑性塑料的加速测试方案系统和方法。该加速测试方案包括混合方法，其包括建模和实验测试的组合。特别地，将减少的物理测试组与热塑性结构模型(例如，现象学模型)组合以提供纤维增强的热塑性塑料的完整表征。这种加速测试方案显著缩短了与各种温度、外加负载和负载角度下纤维增强的热塑性塑料的各向异性的疲劳和蠕变失效特征相关的测试时间。

优先权

本申请要求2017年1月13日提交的美国临时专利申请序列号62/445694的优先权权益，其通过引用整体并入本文。

背景技术

在各行业中越来越多地使用经纤维增强的热塑性塑料。增强的聚合物复合材料正在越来越广泛地用于制造承重结构部件，例如在飞机结构、汽车和工业应用中的承重结构部件。增强的聚合物复合材料制品包括一个或多于一个与聚合物基质紧密混杂接触的增强结构。通常，增强结构包括一种或多于一种纤维增强结构，例如一种或多于一种增强纤维。聚合物复合材料制品中的增强纤维可以以不连续的形式排列，例如，以非相关的不连续增强纤维(也称为短增强纤维或短切增强纤维)形式排列。或者，聚合物复合材料制品中的增强纤维可以以连续形式排列，例如机织织物、非织造织物、单向带、自动带铺设结构、缠绕长丝、定制纤维预成型件、纤维铺层结构和成形纤维构件。

纤维增强的热塑性塑料显示出与时间相关的失效行为(例如，“蠕变行为”或“疲劳行为”。失效行为与部件的纤维取向(例如，各向异性的失效)有关。例如，当平行于纤维增强方向变形时，纤维增强的热塑性塑料显示出一个失效时间值，而当垂直于纤维增强方向变形时，可能显示出大不相同的失效时间值。

纤维增强的热塑性塑料的计算机辅助设计和模拟(例如，虚拟产品开发)也在广泛发展，因为它缩短了产品上市时间并减少了物理原型成型。准确模拟的关键步骤是提供准确的输入材料数据，但输入材料数据的准确度需要许多物理测试才能准确表征纤维增强的热塑性塑料的各向异性失效时间。足以进行模拟的输入数据的生成可以包括在蠕变和疲劳负载条件下的各向异性失效的完整表征，其可包括针对最终产品负载条件定制的各种施加应力、温度和样品取向(即，纤维取向)下的静态和动态测试。这种各向异性的失效特征通常导致非常长的实验时间和极高的成本。长的交付周期和高成本阻碍了在纤维增强的热塑性部件的设计和开发过程中各向异性的失效时间模拟的广泛使用。为了改善纤维增强的热塑性塑料部件的应用开发周期，需要一种解决方案，该方案将减少与各向异性失效时间模拟相关的长交付周期和高成本。

发明内容

本公开描述了用于纤维增强的热塑性塑料的加速测试方案的系统和方法，其中加速测试方案嵌入在集成模拟框架中。这种加速测试方案显著缩短了与纤维增强的热塑性塑料在各种温度、外加负载和负载角度下的各向异性的疲劳和蠕变失效特征相关的测试时间。该加速测试方案包括混合方法，其包括建模和实验测试的组合。特别地，将一组简化的物理测试与热塑性结构模型(例如，现象学本构模型)组合以提供纤维增强的热塑性塑料的完整表征。该方法能够预测失效循环数和蠕变失效时间的外加应力依赖性。如本文所讨论的，该应力诱导的失效时间信息可以图形形式表示为S-N或S-T曲线，其示出了失效循环数(N)或蠕变失效时间(T)随外加应力(S)即疲劳测试时的最大施加循环应力或蠕变测试时的恒定外加应力的变化。

在一个实施方案中，该加速测试方案可以显著减少为模拟提供输入所需的测试数量，并且可以显著减少净测试时间。该加速测试方案还可以在比测量数据(例如，实际数据)更宽的外加应力、温度和取向范围内提供模拟的材料输入数据(例如，虚拟材料输入数据)。利用这些不同的特征，这种加速测试方案可以通过提供对更广泛的材料数据的访问来提高模拟可靠性，可以减少模拟时间和成本，并且可以减少与加速产品开发周期相关的时间和成本。

附图说明

为了容易地识别对任何特定元素或行为的讨论，参考数字中最重要的数字指的是第一次引入该元素的数字。下面的附图和随附的描述提供了用于测试时间相关的失效行为的信息和实施例结果，其可以包括蠕变行为测试、疲劳行为测试或其组合。