[发明专利]一种能够获得裂纹扩展S-N曲线的复合材料II型裂纹扩展速率测定方法

摘要

一种能够获得裂纹扩展S-N曲线的复合材料II型裂纹扩展速率测定方法，它有五大步骤：一、选用单端缺口弯曲ENF复合材料试样，由纤维布和树脂通过模塑工艺成型；二、选用三点弯曲方式对试样进行测试；三、采用三轴向可移动高倍数码测量系统对裂纹扩展长度进行观测和测量，记录试验载荷、循环次数及其对应的裂纹扩展长度；四、根据工程梁理论计算复合材料中性面的恒定层间剪应力，并采用三参数幂函数法拟合裂纹扩展层间剪应力及其对应的循环次数，得到裂纹扩展S-N曲线；五、利用双增长指数函数拟合试验载荷循环次数及其对应的裂纹扩展长度的a-N曲线，求导后获得裂纹扩展速率；采用Paris模型和能量释放率公式，通过最小二乘拟合得到裂纹扩展速率曲线。

主权项

一种能够获得裂纹扩展S‑N曲线的复合材料II型裂纹扩展速率测定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一、选用单端缺口弯曲ENF复合材料试样，由纤维布和树脂通过模塑工艺成型；试样一端的中间面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜得到预制裂纹，薄膜的厚度不大于0.05毫米，预制裂纹的长度为30‑50毫米；试验前预先对初始裂纹进行预裂；裂纹预裂时，将前缘为直线型的楔状刀刃沿试件宽度方向插入到预制裂纹面内，缓慢并水平地向前推进刀刃，直至裂纹尖端扩展2至5mm；裂纹预裂过程中应确保裂纹沿试样两个侧面扩展量大致相同，裂纹预制后将聚四氟乙烯薄膜抽出；步骤二、选用三点弯曲方式对试样进行测试，试验在任意带位移传感器的疲劳试验装置上进行，加载方式为恒幅载荷控制；加载头位于支座中间并与支座平行，试样的长度方向与支座和加载头垂直，采用载荷控制下的能量释放率正梯度法对试样进行加载；疲劳载荷波形为正弦波，幅值恒定，载荷频率f及疲劳应力比R根据ASTM标准确定，试验在“若干”疲劳载荷水平下进行，每组疲劳载荷水平下试样为3至5件；其中，最大疲劳载荷水平为材料剪切强度的60%，此后每组疲劳载荷水平较前一级降低5%至10%；步骤三、采用三轴向可移动高倍数码测量系统对裂纹扩展长度进行观测和测量，记录试验载荷、循环次数及其对应的裂纹扩展长度；试验过程中每隔“一定循环”暂停加载，记录当前载荷循环次数Ni下试样的裂纹开裂长度ai、试样挠度值δi；如此反复，直至裂纹扩展至三点弯曲夹具上夹头处或载荷反馈波形失真为止；试样挠度值由疲劳试验机自带的位移传感器自动进行记录；步骤四、根据工程梁理论计算复合材料中性面的恒定层间剪应力，并采用三参数幂函数法拟合裂纹扩展层间剪应力及其对应的循环次数，得到裂纹扩展S‑N曲线；采用如下所示的三参数幂函数法对裂纹扩展裂纹扩展S‑N曲线进行拟合：(Smax‑S0)mN=C        （1）其中m，S0，C为待定常数，由最小二乘法拟合得到；N，Smax分别为同一疲劳载荷水平下复合材料试样的裂纹扩展寿命及层间最大剪应力的均值；其中Smax根据工程梁理论得到，其表达式为： S max = 3 P max 8 wh - - - ( 2 ) 其中，Pmax代表当前疲劳载荷水平下载荷峰值；步骤五、利用双增长指数函数拟合试验载荷循环次数及其对应的裂纹扩展长度的a‑N曲线，求导后获得裂纹扩展速率；采用Paris模型和能量释放率公式，通过最小二乘拟合得到裂纹扩展速率曲线；拟合裂纹扩展速率与能量释放率之间的da/dN‑ΔGII曲线，首先采用双增长指数函数对单个试样的所有试验数据点（ai，Ni）进行最小二乘曲线拟合，得到单件试样a与N之间的函数关系式： a = C 1 e C 2 N + C 3 e C 4 N - - - ( 3 ) 其中，C1，C2，C3，C4为待定常数，由最小二乘曲线拟合得到；对公式（3）进行一阶求导，进而得到裂纹扩展速率da/dN与N之间的函数关系： da / dN = C 1 C 2 e C 2 N + C 3 C 4 e C 4 N - - - ( 4 ) 将单件试样的Ni值带入到公式（4）中，得到单件试样在不同循环次数下的裂纹扩展速率(da/dN)i；利用第Ni次循环下试样的裂纹扩展长度ai及对应的挠度值δi，得到单次疲劳循环下裂纹开裂的能量释放率(ΔGII)i，其计算公式为： ( Δ G II ) i = 9 a i 2 P max δ i ( 1 - R 2 ) 2 w ( 2 L 3 + 3 a 3 ) - - - ( 5 ) 应用公式（3）至公式（5）对不同应力水平下所有试样的试验数据进行处理，得到一系列裂纹扩展速率及对应能量释放率之间的散点数据[(da/dN)i，(ΔGII)i]；将所有散点数据绘制在双对数坐标下，采用最小二乘法对其进行曲线拟合，即得到裂纹扩展速率da/dN‑ΔGII曲线；拟合函数采用Paris模型，其函数表达式如下：da/dN=AΔGIIk        （6）其中A，k为待定参数，根据最小二乘法拟合求得。