[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

说明书

技术领域

本发明提供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，属于复合材料试验方法领域。

背景技术

复合材料与传统金属材料相比，具有更高的比强度、比刚度，因而被越来越广泛地应用于结构轻量化设计中，然而，复合材料结构存在的突出问题是在II型（面内剪切）疲劳载荷作用下（尤其是在II型面内剪切载荷下）易发生层间开裂。为保证复合材料结构安全性，需要依据损伤容限设计原理，测定材料的裂纹扩展速率以及裂纹扩展S-N曲线。前者反映了不同疲劳载荷能量下对应的裂纹扩展速率，通过控制疲劳载荷能量，可以实现止裂设计；后者反映了不同疲劳应力水平下裂纹的扩展寿命，可用于制定复合材料结构裂纹监测与替换周期。可见，二者均是损伤容限设计的重要内容。

现有的复合材料II型层间裂纹扩展试验普遍采用位移控制下的能量释放率负梯度法。采用该方法测定开裂门槛值时，需要根据单根试样裂纹扩展量的增长而不断减小疲劳位移幅值或者逐级降载，试验操作程序复杂；此外，利用该方法得到的裂纹层间应力随裂纹的扩展而变化，不能满足S-N曲线测定中对疲劳应力水平恒定的要求，这造成疲劳试验信息的浪费。

发明内容

本发明旨在提供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，其操作简便，能够充分利用裂纹扩展寿命数据，克服以往复合材料II型裂纹扩展测定方法的不足。

本发明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，其步骤如下：

步骤一、选用单端缺口弯曲(ENF)复合材料试样（如图1所示），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0.05mm，预制裂纹的长度为30-50mm。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（如图2所示）。试验可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1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%左右，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（如图3所示）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N_i下试样的裂纹开裂长度a_i、试样挠度值δ_i。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：

(S_max-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，S_max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S_max可根据工程梁理论得到，其表达式为：