[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

摘要

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。

主权项

1.一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；步骤二：DCB梁标准试样上裂纹尖端前后不同部位的应力分布状况不同，使用所述DCB梁标准试样的几何尺寸和材料弹性参数计算得到不同应力分布段的尺寸参数x1，x2和x3，其计算式表达如下；其中，E3是DCB梁标准试样的横向杨氏模量；I是该DCB梁标准试样的转动惯量；w是DCB梁标准试样的宽度，h是裂缝两侧DCB梁的厚度；a是裂纹长度；Eb是DCB梁材料的弯曲模量，G13＝G12是DCB标准试样材料的剪切模量；根据前述应力分布的尺寸参数x1，x2和x3，定义DCB梁的特征参数βi＝1,2,3,4，其表达式如下：DCB梁标准试样自由段端部的位移是不同应力分布段的综合作用效果，根据悬臂梁挠度和转角的表达形式，裂纹尖端前自由端产生的挠度和转角被表示为：步骤三：根据DCB梁标准试样的受力分布和变形分布，依据以下公式计算得到DCB梁标准试样裂缝自由端在载荷方向发生的位移：其中，U是DCB梁标准试样在加载过程中的应变能，Pj是沿j方向的载荷，M是DCB梁标准试样受到的弯矩，Q是DCB梁标准试样受到的剪切力，A是DCB梁标准试样的横截面积；通过在DCB梁标准试样自由段端部施加一个垂直方向的单位载荷，推导得到DCB梁标准试样在不同应力分布段的弯矩和剪切力，依据以下公式计算得到DCB梁标准试样自由段端部加载点产生的位移：步骤四：根据步骤三得到的DCB梁标准试样自由段端部加载点的位移表达式δ，包含等效裂缝长度为的DCB梁的整体柔度被表示为：因此，根据实验测试所得到的加载点实时载荷‑位移数据P‑δ，将其带入公式(6)，此时等效裂纹长度是唯一未知量，通过求解上式得到扩展后的等效裂纹长度，进而获得裂纹尖端的扩展长度。