2-复合材料结构对力学性能的要求

复合材料力学性能测试技术(二）复合材料结构对力学性能的要求杨胜春2015-06-25（一）复合材料力学试验分类（二）力学性能数据的应用（三）复合材料力学性能试验项目（一）复合材料力学试验分类试验物理性能化学性能力学性能（材料/结构许用值）耐环境可靠性……对技术和产品的支持材料和产品性能改进新材料研发材料的筛选质量控制质量保证设计计算试验条件外的性能预测理论推导……材料产品制造产品设计使用、维护性能数据材料研制试验产品开发二、复合材料力学性能试验分类复合材料结构的积木式验证方法（一）复合材料力学性能试验分类其中最底部的试样级试验包括：1）确定材料许用值所需的试验，2）确定结构设计许用值中含一般结构特征的元件级试验；它们构成了复合材料数据库的基本数据。二、复合材料力学性能试验分类按试验件/结构复杂性分为5个等级：1、组分试验：对纤维、基体性能进行评价。例如，密度，拉伸强度与拉伸模量。2、单层级试验——选材、材料许用值等对纤维和树脂共同的性能进行评价。关键的性能包括物理性能、力学性能：单层（单向板）的拉伸、压缩以剪切强度与模量。3、层压板级试验对给定层压板的性能进行表征。关键的性能包括拉伸、压缩、剪切强度与模量，层间断裂韧性以及疲劳阻抗。4、结构元件试验——结构设计许用值评价材料容许常见层压板中不连续性的能力。关键的性能包括开孔与充填孔拉伸/压缩强度、冲击后压缩强度以及连接的挤压强度与挤压旁路强度。5、组合件（或部件、全尺寸）试验：评价复杂性逐渐增大的结构组合的行为与破坏模式。（一）复合材料力学性能试验分类(b)（一）复合材料力学性能试验分类按数据应用分类：1、材料选择试验（选材试验）：对结构完整性最为关键的环境条件和载荷条件下对材料体系进行初步评价，选择有可能用于应用对象的材料体系。2、材料取证试验证明给定的材料/工艺满足材料规范要求的能力，目标是定量地评定关键材料性能的变异性，以建立材料许用值。3、材料验收试验通过周期性地对材料产品进行采样并评价关键的材料性能，以检验材料的符合性。4、材料等同性试验评价：同一材料新数据集与现有数据库的等同性、替代材料与原有材料的等同性。5、结构证实试验评定给定结构满足具体应用要求，即满足结构完整性要求的能力。结构设计许用值是基于材料许用值，并考虑到应用对象的结构完整性要求得到的。建立设计许用值是结构证实试验的一部分。（一）复合材料力学性能试验分类1、预浸料类材料选择试验——使用环境高温环境：一般试验中的最高试验温度为70℃（选材时可以考虑到82℃）低温环境：最低服役温度-55℃湿态环境：平衡吸湿对复合材料结构的影响（ASTMD5229方法、HB7401-96方法、FAA方法）CTD：-55°C/干态RTD：室温干态ETD：70℃/干态、82℃/干态ETW：70℃/湿态、82℃/湿态（一）复合材料力学性能试验分类1、预浸料类材料选择试验——试验矩阵（一）复合材料力学性能试验分类1、预浸料类材料选择试验——液体敏感性类别I为有可能储存或与材料长期接触的液体，包括发动机燃油、液压油、冷却液、发动机润滑油等；类别II为涂上后擦去（或蒸发）或与材料短时接触的液体，包括清洁液、洗涤液、除冰剂等。（一）复合材料力学性能试验分类1、夹层结构类材料选择试验——试验矩阵（一）复合材料力学性能试验分类2、预浸料类材料取证试验——材料许用值试验§25.603试验内容试验标准每个试验条件的试件数CTDRTDETWETD0o（经向）拉伸ASTMD303951151151151190o（纬向）拉伸ASTMD30395115115115110o（经向）压缩强度SACMASRM15115115115110o（经向）压缩模量SACMASRM151151151151190o（纬向）压缩强度SACMASRM151151151151190o（纬向）压缩模量SACMASRM1511511511511面内剪切模量及强度ASTMD5379511511511511短梁剪切ASTMD2344--511----充分取样（一）复合材料力学性能试验分类2、预浸料类材料取证试验——材料许用值试验§25.603简化取样试验内容试验标准每个试验条件的试件数CTDRTDETWETD0o（经向）拉伸ASTMD30393636363690o（纬向）拉伸ASTMD3039363636360o（经向）压缩强度SACMASRM1363636360o（经向）压缩模量SACMASRM13636363690o（纬向）压缩强度SACMASRM13636363690o（纬向）压缩模量SACMASRM136363636面内剪切模量及强度ASTMD537936363636短梁剪切ASTMD2344--36----（一）复合材料力学性能试验分类2、夹层结构类材料取证试验——材料许用值试验§25.603（一）复合材料力学性能试验分类3、结构证实试验——设计许用值试验§25.613无缺口层压板设计许用值试验ASTMD3039ASTMD6641（一）复合材料力学性能试验分类3、结构证实试验——设计许用值试验§25.613含缺口层压板设计许用值试验ASTMD5766ASTMD6484ASTMD6742（一）复合材料力学性能试验分类3、结构证实试验——设计许用值试验§25.613含冲击损伤层压板设计许用值试验ASTMD7136ASTMD7137（一）复合材料力学性能试验分类3、结构证实试验——设计许用值试验§25.613机械连接设计许用值试验ASTMD5961（一）复合材料力学性能试验分类3、结构证实试验——设计许用值试验疲劳试验§25.571典型铺层层压板冲击后压-压疲劳试验典型铺层层压板开孔拉-压疲劳试验紧固件拉-拉疲劳试验夹层结构疲劳损伤特性试验（二）力学性能数据应用——单向板结构承受的外载荷结构的变形（应变）结构（每个单层）的应力状态结构是否失效？结构刚度矩阵单元刚度矩阵强度失效准则材料常数？（二）力学性能数据应用——单向板层合板刚度与强度分析流程图经典层压板理论（CLT）强度失效准则（二）力学性能数据应用——单向板结构承受的外载荷层压板结构的变形（应变、位移）多向层压板结构（每个单层）的应力状态结构是否失效？结构刚度矩阵单元刚度矩阵强度失效准则材料常数：0拉伸E1t、v120压缩E1c90拉伸E2t90压缩E2c面内(纵横)剪切G12材料常数：0拉伸Xt0压缩Xc90拉伸Yt90压缩Yc面内(纵横)剪切S（二）力学性能数据应用——单向板6个模量值：E1t：0（纵向）拉伸模量v12：泊松比E1c：0（纵向）压缩模量E2t：90（横向）拉伸模量E2c：90（横向）压缩模量G12：面内(纵横)剪切模量平均值5个强度值：Xt：0（纵向）拉伸强度Xc：0（纵向）压缩强度Yt：90（横向）拉伸强度Yc：90（横向）压缩强度S：面内(纵横)剪切强度B基准值结构分析用的层压板弹性模量通常由单向板弹性模量平均值经层压板理论计算得到，应采用相应温度区间的单向板弹性模量。（二）力学性能数据应用——单向板材料许用值材料许用值主要考虑单向板（对织物为经向和纬向）和多向层压板的基本力学性能；材料许用值应考虑吸湿量与温度的联合作用；分为A基准值、B基准值和平均值，采用何种基准应根据具体工程项目的结构设计准则而定。试验类型：1）模量0拉伸E1t、v120压缩E1c90拉伸E2t90压缩E2c面内(纵横)剪切G122）强度0拉伸Xt0压缩Xc90拉伸Yt90压缩Yc面内(纵横)剪切S考虑低温、室温、高温干湿态、批次等因素CCAR25.603FAR25.603（二）力学性能数据应用——典型元件设计许用值：应根据所设计具体结构的完整性要求（通常为强度、刚度、耐久性和损伤容限，包括满足使用条件下损伤无扩展要求），在已有材料许用值、代表结构典型特征的试样、元件（包括典型结构件）试验结果及设计和使用经验的基础上，还应根据组合件的试验结果，规定和验证结构设计许用值。目的——确定复合材料结构的设计许用值（二）力学性能数据应用——典型元件设计许用值（设计值）刚度(Stiffness)设计许用值——25.305，307静强度(StaticStrength)设计许用值——25.305，307耐久性(Durability)设计许用值——25.571损伤容限(DamageTolerance)设计许用值——25.571连接(Joints)许用值上述设计值中取最小值（二）力学性能数据应用——典型元件设计许用值是结构验证的基础，为确定设计许用值应用大量试样和元件（包括典型结构件）试验给出下列性能：a)拉伸许用值——室温与干冷条件下结构典型铺层含孔（开孔或充填孔）层压板拉伸强度及相应的破坏应变；b)压缩许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层含孔（开孔或充填孔）层压板压缩强度及相应的破坏应变；c)压缩许用值——含冲击损伤结构典型铺层层压板的压缩强度和相应的破坏应变；d)机械连接许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层机械连接的挤压极限强度与屈服强度；e)胶接连接许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层胶接连接的极限强度；e)室温与干冷或湿热条件下典型结构接头的极限强度；f)其他与确定设计许用值有关的试样和元件（包括典型结构件）性能。（二）力学性能数据应用——典型元件多向层压板力学性能（2—含孔、损伤性能）性能符号单位试验标准几何尺寸开孔拉伸强度oht(MPa)ASTMD5766250362.5模量Eoht(GPa)破坏应变oht()开孔压缩强度ohc(MPa)ASTMD6484300364模量ohc()冲击冲击能量E(J)ASTMD71361501504凹坑深度(mm)损伤面积AD(mm2)损伤宽度WD(mm)冲击后压缩强度cai(MPa)ASTMD71371501005破坏应变cai()（二）力学性能数据应用——典型元件多向层压板力学性能（2—含紧固件性能：充填孔、挤压）性能符号单位试验标准几何尺寸充填孔拉伸强度fht(MPa)ASTMD6742250362.5模量Efht(GPa)破坏应变fht()充填孔压缩强度fhc(MPa)300364破坏应变fhc()螺栓挤压挤压强度bru(MPa)ASTMD5961135364偏移挤压强度bru2%(MPa)二、复合材料力学性能试验分类拉伸试验压缩试验剪切试验弯曲试验短梁剪切试验层间断裂韧性试验1）DCB试验—GIC2）ENF试验—GIIC3）MMB试验—GIC+GIIC开孔/充填孔拉伸试验开孔/充填孔压缩试验螺栓挤压试验冲击和损伤容限试验1）冲击试验2）准静态压痕（QSI）试验3）冲击后压缩试验单层级层压板级层压板级（三）复合材料力学性能试验项目二、复合材料力学性能试验分类芯材性能芯材剪切试验平拉强度试验平压强度试验侧向压缩试验弯曲试验1）三点弯曲试验2）四点弯曲试验滚筒剥离试验复合材料面板性能芯材/面板胶接性能（三）复合材料力学性能试验项目谢谢！