CN106595999A - 基于aml方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法，包括第一阶段：通过积木式试验获元件级试验获取工艺批次影响因子C_BB、湿热环境影响因子C_EN、拧紧力矩影响因子C_TORQ、开孔直径影响因子C_D、宽度‑直径比影响因子C_W/D、孔沉头影响因子C_CSK和填孔拉伸强度基本值S_BASE；第二阶段：通过公式得到填孔拉伸强度设计许用值S_FHT‑ALL。本发明的基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法与以往试验方法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，考虑影响因子更全面，所获填孔拉伸设计许用值更接近工程实际的技术特点。该发明为军、民机复合材料结构获取填孔拉伸强度设计许用值提供了新的可行试验方法。

Description

基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法

技术领域

本发明属于飞机复合材料结构试验、设计和应用领域，尤其涉及一种基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法。

背景技术

现有获得复合材料填孔拉伸强度设计许用值的试验方法大多采用毯式曲线法，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％。通过毯式曲线方法获得复合材料填孔拉伸强度设计许用值的试验就是要将图1阴影部分按照试验标准和规范尽可能填充充分。

AML(Angle Minus Longitudinal)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，图2表明：角度层百分比越高，冲击后压缩强度和填孔拉伸强度越高。

发明内容

本发明的基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法目的在于解决以往试验方法所获得的复合材料填孔拉伸设计试验件数量多，试验复杂，试验周期长，试验考虑影响因素不够全面的工程实际，为获得复合材料填孔拉伸强度设计许用值提供一种先进的试验方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于AML方法的复合 材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法，包括

第一阶段：通过积木式试验元件级试验获取工艺批次影响因子C_BB、湿热环境影响因子C_EN、拧紧力矩影响因子C_TORQ、开孔直径影响因子C_D、宽度-直径比影响因子C_W/D、孔沉头影响因子C_CSK和填孔拉伸强度基本值S_BASE；

第二阶段：通过如下公式得到填孔拉伸强度设计许用值S_FHT-ALL，

S_FHT-ALL＝S_BASE*C_BB*C_EN*C_D*C_W/D*C_TORQ*C_CSK。

进一步地，第一阶段中，将试验件规划成三种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组，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，从而获得工艺批次影响因子C_BB、湿热环境影响因子C_EN、拧紧力矩影响因子C_TORQ、开孔直径影响因子C_D、、宽度-直径比影响因子C_W/D、孔沉头影响因子C_CSK和填孔压缩强度基本值S_BASE。

进一步地，获取所述工艺批次影响因子C_BB的过程为：

采用B基准值简化采样试验矩阵形式，分别从第一试验件组、第二试验件组、第三试验件组分别抽取18个试验件；每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，共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，通过如下公式计算所述工艺批次影响因子C_BB，

σ_{B基准值/RTD}——代表室温干态状态的B基准值；

σ_平均/RTD——代表室温干态状态的平均失效应变。

进一步地，所述湿热环境影响因子C_EN的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的试验件各18个，并均分成3组，一组试验件进行低温干态CTD试验、另一组试验件进行室温干态RTD试验，最后一组试验件进行高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子C_EN，所述湿热 环境影响因子C_EN通过如下公式得：

C_EN＝S_i/S_RTD

S_i——代表高温湿态ETW或低温干态CTD平均失效应变；

S_RTD——代表室温干态平均失效应变。

进一步地，所述拧紧力矩影响因子C_TORQ的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅拧紧力矩不同的试验件各12件，并均匀分成2组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述拧紧力矩影响因子C_TORQ：

C_TORQ＝(S₁₀₀/S₅₀)

S₁₀₀——代表100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变；

S₅₀——代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变。

进一步地，所述开孔直径影响因子C_D的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅开孔直径不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验件，并通过如下公式得到所述开孔直径影响因子C_D：

C_D＝(S_D/S_1/4)

S_D——代表不同开孔直径试验件平均压缩失效应变；

S_1/4——代表直径为1/4in试验件平均压缩失效应变。

进一步地，所述宽度-直径比影响因子C_W/D的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅宽度-直径比不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述宽度-直径比影响因子C_W/D：

C_W/D＝(S_W/D/S₅)

S_W/D——代表不同宽度-直径比试验件平均压缩失效应变；

S₅——代表宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变。

进一步地，所述孔沉头影响因子C_CSK的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅孔沉头百分比不同的试验件各30件，并均分成5组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到孔沉头影响因子C_CSK：

C_CSK＝(S_CSK/S₀)

S_CSK——代表不同孔沉头深度百分比的试验件平均压缩失效应变；

S₀——代表非沉头孔试验件平均压缩失效应变。

进一步地，所述填孔压缩强度基本值S_BASE的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的试验件各6件，并进行低温干态CTD试验、室温干态RTD试验和高温湿态ETW试验，用于得到填孔压缩强度基本值S_BASE。

本发明的基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法与以往试验方法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，考虑影响因子更全面，所获填孔拉伸设计许用值更接近工程实际的技术特点。该发明为军、民机复合材料结构获取填孔拉伸强度设计许用值提供了新的可行试验方法。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术的结构设计中的典型毯式曲线示意图。

图2为现有技术的典型的AML曲线示意图(碳纤维)。

图3为本发明的工艺批次影响因子与AML关系曲线示意图。

图4为本发明的湿热环境影响因子与AML关系曲线示意图。

图5为本发明的拧紧力矩影响因子与AML关系曲线示意图。

图6为本发明的开孔直径影响因子与AML关系曲线示意图。

图7为本发明的宽度-直径比影响因子与AML关系曲线示意图。

图8为本发明的孔沉头影响因子与沉头深度百分比关系曲线示意图。

图9为本发明的填孔拉伸强度基本值与AML关系示意图。

图10为本发明的填孔拉伸试验件典型几何尺寸示意图。

图11为本发明的流程示意图。

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型的，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型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。

本发明的基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法，作为一种获得复合材料填孔拉伸强度设计许用值的试验方法，结合积木式试验元件级试验展开，试验夹具和试验矩阵按ASTM6742/D6742进行，试验件尺寸为“1.25in×12in”。获取填孔拉伸设计许用值S_FHT-ALL的过程分为二个阶段(如图11所示)：

第一阶段：将试验件规划成三种AML值的试验件形成第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组，试验件组的AML值分别为-28、0和25，之后获取对复合材料填孔拉伸强度设计许用值具有显著影响的工艺批次影响因子C_BB、湿热环境影响因子C_EN、拧紧力矩影响因子C_TORQ、开孔直径影响因子C_D、宽度-直径比影响因子C_W/D、孔沉头影响因子C_CSK和填孔拉伸强度基本值S_BASE，每种AML值均需要做下述试验。

1)工艺批次影响因子

采取B基准值简化采样(B18)试验矩阵形式，分别从第一试验件组、第二试试验件组和第三试验件组分别抽取18个试验件；试验件共采用3个批次预浸料、2个固化循环，共18个试验件。在湿热环境(采用室温干态条件试验)、几何参数(钉孔直径、宽度-直径比、非沉头)、铺层顺序等条件完全相同情况下，工艺批次影响因子C_BB用以下公式表示：

σ_{B基准值/RTD}代表室温干态状态3个批次，2个固化工艺的B基准值；

σ_平均/RTD代表室温干态状态的平均失效应变。

本实施例中的工艺批次影响因子C_BB与AML的关系详见图3。

2)湿热环境影响因子

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数(包括钉孔直径、宽度-直径比、非沉头)的试验件各18件，并均分成3组，一组试验件进行低温干态CTD试验、另一组试验件进行室温干态RTD试验，以及最后一组试验件进行高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子C_EN，湿热环境影响因子C_EN通过如下公式得：

C_EN＝S_i/S_RTD

S_i代表高温湿态ETW或低温干态CTD平均失效应变；

S_RTD代表室温干态平均失效应变。

本实施例中的湿热环境影响因子C_EN与AML的关系详见图4，获取设计 许用值时C_EN＝Min(S_i/S_RTD)。

3)拧紧力矩影响因子

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅拧紧力矩不同的试验件各12件，并均匀分成2组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述拧紧力矩影响因子C_TORQ：

C_TORQ＝(S₁₀₀/S₅₀)

S₁₀₀——代表100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变；

S₅₀——代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变(按照规范CMH-17G，做填孔压缩试验时拧紧力矩取50％)。

本实施例中的拧紧力矩影响因子C_TORQ与AML的关系详见图5。获取设计许用值时以50％拧紧力矩平均压缩失效应变为基本值，100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变与50％拧紧力矩平均压缩失效应变相比得拧紧力矩影响因子C_TORQ。

4)开孔直径影响因子

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅开孔直径不同(其他参数如宽度-直径比、非沉头等相同)的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，用于得到开孔直径影响因子C_D，得到开孔直径影响因子C_D的公式为：

C_D＝(S_D/S_1/4)

S_D代表直径为5/32in、3/16in、5/16in、3/8in、1/2in试验件平均压缩失效应变；

S_1/4代表直径为1/4in试验件平均压缩失效应变。

本实施例中的开孔直径影响因子C_D与AML的关系详见图6。获取设计许用值时以1/4in直径试验件平均压缩失效应变为基本值，其它直径试验件平 均压缩失效应变与1/4in直径试验件平均压缩失效应变相比得出开孔直径影响因子C_D。

5)宽度-直径比影响因子

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数仅宽度-直径比不同(其他参数如开孔直径、非沉头等相同)的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验用于得到开宽度-直径比影响因子C_W/D，得到开宽度-直径比影响因子C_W/D的公式为：

C_W/D＝(S_W/D/S₅)

S_W/D代表宽度-直径比为3、4、6试验件平均压缩失效应变；

S₅代表宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变。

本实施例中的宽度-直径比影响因子C_W/D与AML的关系详见图7。获取设计许用值时以宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变为基本值，其它宽度-直径比试验件平均压缩失效应变与宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变相比得出宽度-直径比影响因子C_W/D。

6)孔沉头影响因子

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数仅孔沉头百分比不同(其他参数如开孔直径、宽度-直径比等相同)的试验件各30件，并均分成5组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验用于得到孔沉头影响因子C_CSK，得到孔沉头影响因子C_CSK的公式为：

C_CSK＝(S_CSK/S₀)

S_CSK代表孔沉头深度20％、40％、60％、80％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代表非沉头孔试验件平均压缩失效应变。

本实施例中的孔沉头影响因子C_CSK与孔沉头百分比的关系详见图8。获取设计许用值时以孔沉头为非沉头孔试验件平均压缩失效应变为基本值，其 它不同沉头深度试验件平均压缩失效应变与非沉头孔试验件平均压缩失效应变相比得出孔沉头影响因子C_CSK。

7)填孔拉伸强度基本值S_BASE

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数(包括开孔直径、宽度-直径比、非沉头)的试验件各6件，并进行低温干态CTD试验、室温干态RTD试验和高温湿态ETW试验用于得到填孔拉伸强度基本值S_BASE。

由于在获取复合材料填孔拉伸强度设计许用值S_BASE时不允许外推，所以获取填孔拉伸强度基本值S_BASE时，还要规划AML小于-28和AML大于25的试验件。获取填孔拉伸强度基本值S_BASE时，试验件基本构型详见表1。

本实施例的填孔拉伸强度基本值S_BASE与AML的关系详见图9。

表1试验件基本构型

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
拧紧力矩	50％
		孔	非沉头
AML	-35\-28\-10\0\10\25\45

第二阶段：通过如下公式得到填孔拉伸强度设计许用值S_FHT-ALL：

S_FHT-ALL＝S_BASE*C_BB*C_EN*C_D*C_W/D*C_TORQ*C_CSK。

下表2是根据本实施例中的试验件(见图10所示)及综合上述公式和附图所得的AML分别为-28、0和25及拧紧力矩100％、孔径为1/4in、宽度-直径比为5、沉头深度为60％的层合板复合材料填孔拉伸强度设计许用值。

表2填孔拉伸强度设计许用值

本发明的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、拧紧力矩、开孔直径、宽度-直径比、孔沉头对复合材料填孔拉伸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填孔拉伸强度基本值。本发明的试验方法得出填孔拉伸强度设计许用值S_FHT-ALL的计算公式所需的7个因子曲线图后，每一个AML值均对应唯一的填孔拉伸强度设计许用值。本发明与以往试验方法相比，具有试验件数量更少，试验周期更短，试验经费更少，考虑影响因子更全面，所获填孔拉伸设计许用值更接近工程实际的技术特点。该发明为军、民机复合材料结构获取填孔拉伸强度设计许用值提供了新的可行试验方法。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法，其特征在于，包括

第一阶段：通过积木式试验元件级试验获取工艺批次影响因子C_BB、湿热环境影响因子C_EN、拧紧力矩影响因子C_TORQ、开孔直径影响因子C_D、宽度-直径比影响因子C_W/D、孔沉头影响因子C_CSK和填孔拉伸强度基本值S_BASE；

第二阶段：通过如下公式得到填孔拉伸强度设计许用值S_FHT-ALL，

S_FHT-ALL＝S_BASE*C_BB*C_EN*C_D*C_W/D*C_TORQ*C_CSK。

2.根据权利要求1所述的基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法，其特征在于，第一阶段中，将试验件规划成三种AML值的试验件组，形成第一试验件组、第二试验件组及第三试验件组，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，从而获得工艺批次影响因子C_BB、湿热环境影响因子C_EN、拧紧力矩影响因子C_TORQ、开孔直径影响因子C_D、、宽度-直径比影响因子C_W/D、孔沉头影响因子C_CSK和填孔压缩强度基本值S_BASE。

3.根据权利要求2所述的基于AML方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法，其特征在于，获取所述工艺批次影响因子C_BB的过程为：

采用B基准值简化采样试验矩阵形式，分别从第一试验件组、第二试验件组、第三试验件组分别抽取18个试验件；每组均采用3个批次预浸料、2个固化循环，共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，通过如下公式计算所述工艺批次影响因子C_BB，

σ_{B基准值/RTD}——代表室温干态状态的B基准值；

σ_平均/RTD——代表室温干态状态的平均失效应变。

4.根据权利要求3所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述湿热环境影响因子C_EN的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的试验件各18个，并均分成3组，一组试验件进行低温干态CTD试验、另一组试验件进行室温干态RTD试验，最后一组试验件进行高温湿态ETW试验，用于得到湿热环境影响因子C_EN，所述湿热环境影响因子C_EN通过如下公式得：

C_EN＝S_i/S_RTD

S_i——代表高温湿态ETW或低温干态CTD平均失效应变；

S_RTD——代表室温干态平均失效应变。

5.根据权利要求4所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述拧紧力矩影响因子C_TORQ的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅拧紧力矩不同的试验件各12件，并均匀分成2组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述拧紧力矩影响因子C_TORQ：

C_TORQ＝(S₁₀₀/S₅₀)

S₁₀₀——代表100％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变；

S₅₀——代表50％拧紧力矩试验件平均压缩失效应变。

6.根据权利要求5所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述开孔直径影响因子C_D的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅开孔直径不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验件，并通过如下公式得到所述开孔直 径影响因子C_D：

C_D＝(S_D/S_1/4)

S_D——代表不同开孔直径试验件平均压缩失效应变；

S_1/4——代表直径为1/4in试验件平均压缩失效应变。

7.根据权利要求6所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述宽度-直径比影响因子C_W/D的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅宽度-直径比不同的试验件各36件，并均分成6组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到所述宽度-直径比影响因子C_W/D：

C_W/D＝(S_W/D/S₅)

S_W/D——代表不同宽度-直径比试验件平均压缩失效应变；

S₅——代表宽度-直径比为5试验件平均压缩失效应变。

8.根据权利要求7所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述孔沉头影响因子C_CSK的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、几何参数中仅孔沉头百分比不同的试验件各30件，并均分成5组，每组的试验件均进行室温干态RTD试验，并通过如下公式得到孔沉头影响因子C_CSK：

C_CSK＝(S_CSK/S₀)

S_CSK——代表不同孔沉头深度百分比的试验件平均压缩失效应变；

S₀——代表非沉头孔试验件平均压缩失效应变。

9.根据权利要求8所述的基于AML方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法，其特征在于，所述填孔压缩强度基本值S_BASE的获取过程为：

自第一试验件组、第二试验件组和第三试验件组中获取同一材料批次、同一固化工艺、相同几何参数的试验件各6件，并进行低温干态CTD试验、室温干态RTD试验和高温湿态ETW试验，用于得到填孔压缩强度基本值S_BASE。