一种复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法与流程

本发明涉及飞机复合材料结构试验
技术领域：
，特别是涉及一种复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法。
背景技术：
：现有获得开孔复合材料压缩强度设计许用值试验方法大多采用毯式曲线法(AML方法)，毯式曲线法中铺层角度包括0°、-45°、+45°、90°，铺层百分比数不小于10％。AML方法被应用在对称、均衡的层合板中，层合板包括0°，90°和±45°角度层，且每一角度层所占百分比不小于10％。AML由角度层(±45°)百分比减去纵向纤维层(0°)得出。当层合板不均衡时，AML由下式表式：所以层合板有低百分比的角度层或高百分比的纵向层，AML都会很低。AML反映的是层合板在缺陷周边或纤维中断后的载荷重新分配能力，亦反映缺陷周遍的应力严重系数，即角度层百分比越高，冲击后压缩强度和开孔压缩强度越高。由于标准和规范要求，在获取材料设计许用值试验时，许用值不允许根据试验结果或试验曲线进行外推，所以毯式曲线法在规划试验件时试验件的铺层百分比就要填充整个图6所示阴影区域，这样就造成了试验件数量大，试验周期长，而且很多试验数据在飞机实际设计中并没有应用，造成了极大的浪费。且AML方法获得复合材料冲击后压缩强度设计许用值的试验件按规范要求，试验件尺寸为“100mm×150mm”(元件级试验件)，由于试验件尺寸小，受尺寸效应、边界条件、载荷分配等实际情况影响较大，一般所得试验结果偏差较大。参见图9，图9为AML方法的示意图，图9表明：角度层百分比越高，冲击后压缩强度和开孔压缩强度越高。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法来克服或至少减轻现有技术的中的至少一个上述缺陷。为实现上述目的，本发明提供一种复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法，用于基于AML方法获得开孔复合材料压缩强度设计许用值，所述复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法包括如下步骤：步骤1：通过积木式试验元件级试验阶段获取复合材料的工艺批次影响因子、湿热环境影响因子以及厚度影响因子、开孔直径影响因子、宽度-直径比影响因子、孔沉头影响因子和开孔压缩强度基本值；步骤2：通过公式以及所述步骤1中获得的数据，获取开孔复合材料压缩强度设计许用值。优选地，所述步骤1具体为：规划3种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组，从而获得工艺批次影响因子、湿热环境影响因子以及厚度影响因子、开孔直径影响因子、宽度-直径比影响因子、孔沉头影响因子和开孔压缩强度基本值。优选地，所述工艺批次影响因子试验具体为：采取B基准值简化采样试验矩阵形式，分别从第一试验件组获取18个第一试验件、从第二试验件组获取18个第二试验件、从第三试验件组获取18个第三试验件；每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，18个试验件；在湿热环境、几何参数、铺层顺序等条件完全相同情况下，通过公式求取工艺批次影响因子CBB。优选地，所述湿热环境影响因子试验包括：获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数相同的第一试验件18件、第二试验件18件以及第三试验件18件，其中，第一试验件、第二试验件以及第三试验件中各取6件用于低温干态CTD试验，第一试验件、第二试验件以及第三试验件中各取6件用于室温干态RTD试验，第一试验件、第二试验件以及第三试验件中各取6件用于高温湿态ETW试验，通过所述低温干态CTD试验、室温干态RTD试验以及高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子CEN，所述湿热环境影响因子CEN通过如下公式获得：CEN＝Si/SRTD；其中，Si为高温湿态ETW或低温干态CTD的平均失效应变；SRTD为室温干态平均失效应变。优选地，所述厚度影响因子试验包括：自第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中的厚度不同的试验件各18件，每组试验件中各6件用于进行室温干态RTD试验，并通过如下公式获得厚度影响因子CTH：CTH＝(St/S0.18)；St表示各个试验件厚度平均压缩失效应变；S0.18代表0.18in厚度平均压缩失效应变。优选地，自第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中开孔直径不同的试验件各36件，每组试验件中个6件用于进行室温干态RTD试验，并通过如下公式获得开孔直径影响因子CD：CD＝(SD/S1/4)；其中，SD表示多种直径的试验件平均压缩失效应变；S1/4表示直径为1/4in试验件平均压缩失效应变自第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中宽度-直径比不同的试验件各24件，每组试验件中各6个用于进行室温干态RTD试验，通过如下公式获得宽度-直径比影响因子CW/D：CW/D＝(SW/D/S5)，其中，SW/D表示多种宽度-直径比的试验件平均压缩失效应变；S5表示宽度-直径比为5的试验件平均压缩失效应变；自第二试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中沉头深度不同的试验件各30件，其中，选取5种沉头规格，每种规格选取6个第二试验件，用于进行室温干态RTD试验，通过如下公式获得孔沉头影响因子CCSK：CCSK＝(SCSK/S0)SCSK表示多种孔沉头深度的试验件平均压缩失效应变；S0表示非沉头孔试验件平均压缩失效应变。优选地，获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数相同的第一试验件6件、第二试验件6件以及第三试验件6件，其中，第一试验件用于低温干态CTD试验，第二试验件用于室温干态RTD试验，第三试验件用于高温湿态ETW试验，通过所述低温干态CTD试验、室温干态RTD试验以及高温湿态ETW试验，用于得到开孔压缩强度基本值SBASE。优选地，所述步骤2中的公式为：SOHC-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D*CCSK[με]；其中，SOHC-ALL为开孔复合材料压缩强度设计许用值；SBASE为开孔压缩强度基本值SBASE；CBB为工艺批次影响因子；CEN为湿热环境影响因子；CTH为厚度影响因子；CD为开孔直径影响因子；CW/D为宽度-直径比影响因子；CCSK为孔沉头影响因子。优选地，所述第一试验件组的AML值为-28，所述第二试验件组的AML值为0，所述第三试验件组的AML值为25。采用本申请的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法能够解决以往试验方法所获得的开孔复合材料压缩强度设计许用值偏差大，试验件数量多，试验周期长，试验结果受尺寸效应、边界条件和载荷分配等约束条件影响较大的工程实际，为获得开孔复合材料压缩强度设计许用值提供一种先进的试验研究方法。附图说明图1是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法的流程示意图。图2是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的工艺批次影响因子示意图。图3是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的湿热环境影响因子示意图。图4是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的厚度影响因子示意图。图5是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的开孔直径影响因子示意图。图6是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的宽度-直径比影响因子示意图。图7是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的孔沉头影响因子示意图。图8是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的开孔压缩强度基本值示意图。图9为AML方法的示意图。具体实施方式为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。图1是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法的流程示意图。图2是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的工艺批次影响因子示意图。图3是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的湿热环境影响因子示意图。图4是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的厚度影响因子示意图。图5是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的开孔直径影响因子示意图。图6是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的宽度-直径比影响因子示意图。图7是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的孔沉头影响因子示意图。图8是根据本发明第一实施例的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法中的开孔压缩强度基本值示意图。如图1所示的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法，用于基于AML方法获得开孔复合材料压缩强度设计许用值，该复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法包括如下步骤：步骤1：通过积木式试验元件级试验阶段获取复合材料的工艺批次影响因子、湿热环境影响因子以及厚度影响因子、开孔直径影响因子、宽度-直径比影响因子、孔沉头影响因子和开孔压缩强度基本值；步骤2：通过公式以及步骤1中获得的数据，获取开孔复合材料压缩强度设计许用值。采用本申请的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法能够解决以往试验方法所获得的复合材料开孔压缩强度设计许用值偏差大，试验件数量多，试验周期长，试验结果受尺寸效应、边界条件和载荷分配等约束条件影响较大的工程实际，为获得复合材料开孔压缩强度设计许用值提供一种先进的试验研究方法。在本实施例中，步骤1具体为：规划3种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组，从而获得工艺批次影响因子、湿热环境影响因子以及厚度影响因子、开孔直径影响因子、宽度-直径比影响因子、孔沉头影响因子和开孔压缩强度基本值。在本实施例中，工艺批次影响因子试验具体为：采取B基准值简化采样试验矩阵形式，分别从第一试验件组获取18个第一试验件、从第二试验件组获取18个第二试验件、从第三试验件组获取18个第三试验件；每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，18个试验件，具体地,采用3个批次预浸料、2个固化循环是为了满足简化B基准值取样要求。在湿热环境、几何参数、铺层顺序等条件完全相同情况下，通过公式求取工艺批次影响因子CBB。工艺批次影响因子CBB与AML的关系详见图2。在本实施例中，所述湿热环境选择室温干态试验条件，所述几何参数包括厚度、钉孔直径、宽度-直径比、非沉头；所述CBB采用如下公式：σB基准值/RTD表示室温干态状态3个批次，2个固化工艺的B基准值；σ平均/RTD表示室温干态状态的平均失效应变。在本实施例中，湿热环境影响因子试验包括：获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数相同(厚度、钉孔直径、宽度-直径比、非沉头等)的第一试验件18件、第二试验件18件以及第三试验件18件，其中，第一试验件、第二试验件以及第三试验件中各取6件用于低温干态CTD试验，第一试验件、第二试验件以及第三试验件中各取6件用于室温干态RTD试验，第一试验件、第二试验件以及第三试验件中各取6件用于高温湿态ETW试验，通过所述低温干态CTD试验、室温干态RTD试验以及高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子CEN，所述湿热环境影响因子CEN通过如下公式获得：CEN＝Si/SRTD；其中，Si为高温湿态ETW或低温干态CTD的平均失效应变；SRTD为室温干态平均失效应变。采用上式可获得9个CEN，其中每个AML下3个。湿热环境影响因子CEN与AML的关系详见图3。在本实施例中，所述厚度影响因子试验包括：自第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中的厚度不同(其他几何参数：钉孔直径、宽度-直径比、非沉头等)的试验件各18件，每组试验件中各6件(分3次进行，每组共消耗18件)用于进行室温干态RTD试验，并通过如下公式获得厚度影响因子CTH：CTH＝(St/S0.18)St表示各个试验件厚度平均压缩失效应变；S0.18代表0.18in厚度平均压缩失效应变。采用上式可获得9个CTH，其中每个AML下3个。厚度影响因子CTH与AML的关系详见图4。在本实施例中，各个试验件厚度平均压缩失效应变包括0.12in或0.24in厚度平均压缩失效应变。在本实施例中，自第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中开孔直径不同(其他几何参数：厚度、宽度-直径比、非沉头等)的试验件各36件，每组试验件中个6件(分6次进行试验，公消耗每组试验件36个)用于进行室温干态RTD试验，并通过如下公式获得开孔直径影响因子CD：CD＝(SD/S1/4)；其中，SD表示多种直径的试验件平均压缩失效应变；S1/4表示直径为1/4in试验件平均压缩失效应变。采用上式可获得18个CTH，其中每个AML下6个。开孔直径影响因子CD与AML的关系详见图5。在本实施例中，SD表示直径为5/32in、3/16in、5/16in、3/8in、1/2in的直径的试验件平均压缩失效应变。自第一试验件组、第二试验件组以及第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中宽度-直径比不同的试验件各24件(其他几何参数：厚度、非沉头、钉孔直径等)，每组试验件中各6个(分四次进行试验，共消耗每组试验件24个)用于进行室温干态RTD试验，在本实施例中，通过如下公式获得宽度-直径比影响因子CW/D：CW/D＝(SW/D/S5)，其中，SW/D表示多种宽度-直径比的试验件平均压缩失效应变；S5表示宽度-直径比为5的试验件平均压缩失效应变。采用上式可获得12个CTH，其中每个AML下4个。宽度-直径比影响因子CW/D与AML的关系详见图6。SW/D表示宽度-直径比为3、4、6的试验件平均压缩失效应变。自第二试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数(其他几何参数：厚度、宽度-直径比、钉孔直径等)中沉头深度不同的试验件各30件，其中，选取5种沉头规格，每种规格选取6个第二试验件，用于进行室温干态RTD试验(共进行4次，共消耗第二试验件30个)，在本实施例中，第二试验件为AML为0的试验组，上式可获得孔沉头影响因子5个，通过如下公式获得孔沉头影响因子CCSK：CCSK＝(SCSK/S0)SCSK表示多种孔沉头深度的试验件平均压缩失效应变(沉头深度百分比为沉头深度/层压板厚度)；S0表示非沉头孔试验件平均压缩失效应变。孔沉头影响因子CCSK与AML的关系详见图7。在本实施例中，SCSK表示孔沉头深度为20％、40％、60％、80％的试验件平均压缩失效应变。在本实施例中，获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数相同的第一试验件6件、第二试验件6件以及第三试验件6件，其中，第一试验件用于低温干态(CTD)试验，第二试验件用于室温干态(RTD)试验，第三试验件用于高温湿态(ETW)试验，通过所述低温干态(CTD)试验、室温干态(RTD)试验以及高温湿态(ETW)试验，用于得到开孔压缩强度基本值SBASE。开孔压缩强度基本值SBASE与AML的关系详见图8。在本实施例中，由于在获取复合材料开孔压缩强度设计许用值时不允许外推，所以获取开孔压缩强度基本值SBASE时，还要规划AML小于-28和AML大于25的试验件。获取开孔压缩强度基本值SBASE时(该值通过试验获得)，试验件基本构型详见下表。项目构型统计数据平均值试验环境室温干态(RTD)直径(in)1/4厚度(in)0.18～0.26宽度-直径比5孔非沉头AML-35\-28\-10\0\10\25\45可以理解的是，在允许外推时，不需要获取开孔压缩强度基本值SBASE时，还要规划AML小于-28和AML大于25的试验件。在本实施例中，所述步骤2中的公式为：SOHC-ALL＝SBASE*CBB*CEN*CTH*CD*CW/D*CCSK[με]；其中，SOHC-ALL为开孔复合材料压缩强度设计许用值；SBASE为开孔压缩强度基本值SBASE；CBB为工艺批次影响因子；CEN为湿热环境影响因子；CTH为厚度影响因子；CD为开孔直径影响因子；CW/D为宽度-直径比影响因子；CCSK为孔沉头影响因子；[με]为应变的单位，最终得到设计许用值单位就是这个，无量纲单位。在本实施例中，第一试验件组的AML值为-28，第二试验件组的AML值为0，第三试验件组的AML值为25。本申请的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法考虑因素全面周全，试验方法简单实用，该试验方法充分考虑了工艺批次、湿热环境、厚度、开孔直径、宽度-直径比、孔沉头对复合材料开孔压缩强度设计许用值的显著影响，并通过复合材料积木式单级试验(元件级试验)获得所有影响因子和开孔压缩强度基本值。本申请的复合材料开孔压缩强度设计许用值试验方法与毯式曲线法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，受尺寸效应、边界条件和载荷分配等条件影响更小，所获开孔复合材料压缩强度设计许用值更接近工程实际的技术特点。可以理解的是，在本实施例中，B基准简化采样试验矩阵为现有技术，B基准值为现有技术所能够得到的值，可用正态分布方法获得。平均失效应变为试验获得。最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3