一种复合材料T型长桁压缩设计许用值的确定方法与流程

本发明属于飞机复合材料结构设计与试验技术领域，具体涉及一种复合材料t型长桁压缩设计许用值的确定方法。

背景技术：

结构设计中初始设计许用值的确定，通常在积木式试件级试验中通过单层和一般层压板静力/疲劳试验，考虑材料批次分散性和环境影响，来表征基本的材料无缺口静力性能、一般缺口敏感性、环境因子、材料工作极限及层压板疲劳响应，常用毯式曲线法或aml曲线法，得到不同铺层的均衡对称层合板的设计许用值曲线。

复合材料易受冲击损伤，试验表明不可见的冲击损伤会严重影响层合板的压缩强度。冲击后剩余强度试验分析方法已成为测定复合材料结构冲击损伤容限许用值的一个必要步骤，冲击后压缩强度许用值也是复合材料结构设计最重要参数之一。

目前复合材料长桁许用值的确定，一般通常在层合板面内引入冲击损伤，采用冲击后压缩(cai)试验规范为astmd7137，仅考虑对层合板实施面外冲击，得到复合材料层合板的冲击后剩余强度，在考虑材料分散性和环境等因素得到长桁压缩许用值。对于蒙皮-长桁结构，除了材料批次工艺炉次、铺层比例和湿热环境的影响，其长桁剖面参数及冲击损伤对长桁承载能力影响较大。目前一般许用值试验中未考虑长桁剖面参数的影响，且仅考虑面内冲击损伤，未考虑更严苛的边缘冲击损伤，尚无相关试验方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种复合材料t型长桁压缩设计许用值的确定方法，所述方法在腹板边缘冲击引入bvid损伤的情况下，得到t型长桁不同的剖面参数、铺层比例和湿热环境对长桁承载能力的影响参数，并计算出其影响因子，同时根据不同材料批次、工艺炉次的影响，通过对长桁压缩试验数据统计与分析，最终确定复合材料t型长桁压缩许用值；

进一步地，所述方法具体包括：

s1：采用半球形冲头，冲击垂直于长桁边缘进行，得到bvid裂纹损伤，获得不同腹板厚度bvid冲击能量；

s2：对所有蒙皮-长桁试验件进行边缘冲击，bvid冲击能量由s1中能量调查得到；

s3：根据不同材料批次和不同工艺炉次含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，并采用应变片监测试验件破坏模式，避免试验件失稳造成数据无效；

s4：根据不同剖面参数含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，拟合试验数据，获得不同剖面参数影响因子；

s5：根据不同铺层比例含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，采用aml方法拟合，获得腹板铺层比例影响因子；

s6：根据湿热环境下含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变以及干态环境下含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，获得环境影响因子；

s7：根据s4-s6中获得的影响因子，计算t型长桁边缘冲击后压缩许用值；

进一步地，所述s7中t型长桁边缘冲击后压缩许用值表达式为：

ε＝εbase×ct×ch×clayup×cen

其中，εbase为压缩应变b基准值，ct为腹板厚度影响因子，ch为腹板高度影响因子，clayup为腹板铺层比例影响因子，cen为环境影响因子；

进一步地，所述s4中t型长桁不同的剖面参数包括腹板厚度和腹板高度；

进一步地，所述s3中试验矩阵以多炉次多批次作为基准试验，获得压缩应变b基准值，其中b基准值统计计算方法为美军标手册中推荐方法；

进一步地，所述s1中冲头直径为16mm，边缘冲击部位为长桁顶端中间位置；

进一步地，所述s4中获得不同剖面参数影响因子的具体方法如下：

腹板高度影响因子ch的获得：选择基准剖面参数，已知腹板高度h0,用不同腹板高度试验件的平均压缩失效应变除以基准高度试验件的平均压缩失效应变，εi/ε0,再以高度hi为横坐标，εi/ε0为纵坐标,采用最小二乘法拟合得到公式，y＝a*x+b，即：

εi/ε0＝a*hi+b；则腹板高度影响因子ch＝a*hi+b；

腹板厚度影响因子的获得ct：选择基准剖面参数，已知腹板厚度t0,用不同腹板厚度试验件的平均压缩失效应变除以基准厚度试验件的平均压缩失效应变，εi/ε0，再以厚度ti为横坐标，εi/ε0为纵坐标，采用最小二乘法拟合得到公式，y＝a*x+b，即：

εi/ε0＝a*ti+b；

则腹板高度影响因子ct＝a*ti+b；；

进一步地，所述s6中获得环境影响因子的具体方法如下：

其中εetw为湿热环境下的平均压缩失效应变，εrtd为常温环境下的平均压缩失效应变；

进一步地，所述s5中腹板铺层比例影响因子的获得如下：

计算得到每种铺层下的铺层aml值，其中：

aml＝％±45°-％0°；

选择基准腹板铺层比例，用不同铺层比例试验件的平均压缩失效应变除以基准铺层试验件的平均压缩失效应变，εi/ε0，再以铺层aml为横坐标，εi/ε0为纵坐标，采用最小二乘法拟合得到公式，y＝a*x+b，即：

εi/ε0＝a*aml+b；则腹板比例影响因子clayup＝a*aml+b；

本发明的有益效果如下：

1、综合考虑了冲击损伤、长桁剖面参数(腹板高度与腹板厚度)、腹板铺层比例、材料批次与工艺炉次分散性、环境因素的影响，形成适用于不同材料体系不同长桁构型的分析方法，得到的压缩许用值更为准确、可靠；

2、对长桁结构引入面外冲击损伤，考虑了长桁腹板边缘冲击损伤这种更为严酷的损伤形式，使得结构更安全。

附图说明

图1为本发明t型长桁试验件的三维示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1所示，本发明提供一种复合材料t型长桁压缩设计许用值的确定方法，本发明所述方法考虑在腹板边缘冲击引入bvid(勉强目视可见)裂纹损伤的情况下，得到t型长桁不同的剖面参数(腹板厚度和腹板高度)、铺层比例、湿热环境对长桁承载能力的影响，并计算出其影响因子，同时考虑不同材料批次、工艺炉次的影响，通过对长桁压缩试验数据统计与分析，最终确定复合材料t型长桁压缩许用值。

试验件设计如图1所示，根据实际结构中长桁尺寸设计长桁剖面参数，如腹板厚度、高度等，对试验件尺寸加以分析，以需确保压缩试验中不发生失稳。

试验方法：考虑在腹板边缘冲击引入bvid损伤的情况下，t型长桁不同的剖面参数(腹板厚度和腹板高度)、铺层比例、湿热环境对长桁承载能力的影响，并计算出其影响因子。

t型长桁边缘冲击后压缩许用值表达式可以写成：

ε＝εbase×ct×ch×clayup×cen；

其中，εbase为压缩应变b基准值，ct为腹板厚度影响因子，ch为腹板高度影响因子，clayup为腹板铺层比例影响因子，cen为环境影响因子。试验实施方法主要步骤如下：

步骤1、参考astmd7136方法，采用半球形冲头，冲头直径16mm，冲击应垂直于长桁边缘进行冲击，冲击点参考图1所示，得到bvid(勉强目视可见)裂纹损伤，获得不同腹板厚度bvid冲击能量；

步骤2、对所有蒙皮-长桁试验件进行边缘冲击，bvid冲击能量由第一步能量调查得到；

步骤3、获得不同材料批次、工艺炉次含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，并采用应变片监测试验件破坏模式，避免试验件失稳造成数据无效；试验矩阵考虑多炉次多批次，作为基准试验，获得压缩应变b基准值，b基准值统计计算方法参考美军标手册推荐方法；

步骤4、获得不同剖面参数含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，包括腹板厚度与腹板宽度，拟合试验数据，获得腹板厚度影响因子和腹板高度影响因子；

腹板高度影响因子的获得：

选择基准剖面参数，比如腹板高度h0,用不同腹板高度试验件的平均压缩失效应变除以基准高度试验件的平均压缩失效应变，εi/ε0。再以高度hi为横坐标，εi/ε0为纵坐标，采用最小二乘法拟合得到公式，y＝a*x+b，即：εi/ε0＝a*hi+b；则腹板高度影响因子ch＝a*hi+b

腹板厚度影响因子的获得：

选择基准剖面参数，比如腹板厚度t0,用不同腹板厚度试验件的平均压缩失效应变除以基准厚度试验件的平均压缩失效应变，εi/ε0。再以厚度ti为横坐标，εi/ε0为纵坐标，采用最小二乘法拟合得到公式，y＝a*x+b，即：εi/ε0＝a*ti+b；则腹板高度影响因子ct＝a*ti+b。

步骤5、获得不同铺层比例含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，采用aml方法拟合，获得腹板铺层比例影响因子；

腹板铺层比例影响因子的获得：计算得到每种铺层下的铺层aml值，其中aml＝％±45°-％0°。

选择基准腹板铺层比例，用不同铺层比例试验件的平均压缩失效应变除以基准铺层试验件的平均压缩失效应变，εi/ε0。再以铺层aml为横坐标，εi/ε0为纵坐标，采用最小二乘法拟合得到公式，y＝a*x+b，即：εi/ε0＝a*aml+b；则腹板比例影响因子clayup＝a*aml+b。

步骤6、获得湿热环境下含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变以及干态环境下含损伤蒙皮-长桁试验件的压缩强度和压缩应变，获得环境影响因子。

环境影响因子的获得：εetw为湿热环境下的平均压缩失效应变，εrtd为常温环境下的平均压缩失效应变。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。