CN112304756A - 一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法，其特征在于，所述方法包括：获取实测复合材料试棒纵向拉伸强度极限σbs、包套材料拉伸强度极限σbm、复合材料的体积分数Vc和复合材料包套的体积分数Vme；根据σbs、σbm、Vc和Vme，利用公式σbc＝(σbs‑σbm*Vme)/Vc，计算得到复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc；对所述复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc进行修正。

Description

一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法
技术领域
本申请涉及力学领域，具体涉及一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法。
背景技术
目前现有的纤维增强金属基复合材料环状结构的周向破裂转速宏观计算方法如公式1所示。
Figure BDA0002727267880000011
式中：σbs-复合材料试棒的纵向拉伸强度极限；σt-为计算得到的复合材料叶环中复合材料的最大应力；np-为破裂转速储备
如果直接按照公式(1)进行求结构的破裂转速，将造成计算结果不准确。
发明内容
本发明提供一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法，可进行较准确纤维增强复合材料环状结构周向破裂转速预测。
本申请提供一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法，其特征在于，所述方法包括：
获取实测复合材料试棒纵向拉伸强度极限σbs、包套材料拉伸强度极限σbm、复合材料的体积分数Vc和复合材料包套的体积分数Vme；
根据σbs、σbm、Vc和Vme，利用公式σbc＝(σbs-σbm*Vme)/Vc，计算得到复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc；
对所述复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc进行修正。
具体的，对所述复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc进行修正，具体包括：
预先设置复合材料中纤维体积分数Vf和复合材料中纤维体积分数Vm；
通过实测获取复合材料基体的弹性模量Em和纤维弹性模量Ef；
根据力学公式，计算得到纤维初始弯曲应力σw；
根据所述Vf、Vm、Em、Ef和σw，利用公式σ’bc＝σbc-σw*(Vf+Em/Ef*Vm)，计算弯曲应力修正后的拉伸强度极限σ’bc。
具体的，计算得到复合材料环状结构中纤维初始弯曲应力σw，具体包括：
获取复合材料环状结构中纤维的曲率半径ρ、纤维截面半径r；
根据所述ρ、所述Ef、复合材料环状结构中纤维截面的半径r，利用公式σw＝Ef/ρ*r，计算得到复合材料环状结构中纤维初始弯曲应力σw。
具体的，包套材料拉伸强度极限σbm的获取方法，具体包括：
制取与包套材料同材料的标准试样；
将标准试样置于复合材料试棒的加工设备中，使其与复合材料试棒经历相同的工艺过程；
利用拉伸试验机测取包套材料试样的拉伸强度极限σbm。
具体的，复合材料的体积分数Vc获取方法，具体包括：
复合材料试棒断裂后，切取复合材料断面，切取位置应远离断口；
实测复合材料试棒断面的直径R、包套厚度b；
根据所述R、b，利用公式Vc＝(R-2b)2/R2，计算得到包套体积分数Vc。
具体的，实测获取复合材料基体的弹性模量Em获取方法，具体包括：
制取与复合材料基体材料相同材料的标准试样；
将标准试样置于复合材料试棒的加工设备中，使其与复合材料试棒经历相同的工艺过程；
利用拉伸试验机测取复合材料基体的弹性模量Em。
具体的，复合材料环状结构中纤维曲率半径ρ的获取方法，具体包括：
将复合材料视为均匀材料，采用宏观有限元法分析得到复合材料环状结构的应力场，测取复合材料周向应力最大位置与旋转中心的距离，得到复合材料环状结构中纤维曲率半径ρ。
具体的，方法还包括：
根据宏观有限元法结果获取复合材料环状结构的最大周向应力σz；
当σz>σ’bc时，认为复合材料环状结构将发生破坏。
综上所述，本发明基于复合材料试棒和复合材料环状结构的细观结构特征，考虑复合材料试棒中复合材料的体积分数和复合材料环状结构中纤维的初始弯曲应力，提供了一种工程适用的纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征的方法。并应用于纤维增强复合材料环状结构破裂转速预测，基于相同的预测模型，根据不同结构形式、不同尺寸的纤维增强复合材料环状结构破裂转速试验结果，破裂转速预测误差比原来降低约10％，均达到6％以内，计算精度满足工程需要，能够提高该类结构破裂转速分析精度，工程适用性强，实现准确的纤维增强复合材料环状结构周向破裂转速计算。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种复合材料试棒横截面示意图；
图2为本申请实施例提供的一种纤维增强复合材料环状结构截面示意图；
图3为本申请实施例提供的一种复合材料环状结构周向拉伸性能表征的计算流程；
其中：1-复合材料包套、2-复合材料、3-复合材料环状结构中纤维。
具体实施方式
一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征的方法技术方案包括以下步骤：
步骤1：测取图1所示与复合材料环状结构中复合材料相同体积分数的复合材料试棒的纵向拉伸强度极限σbs。
步骤2：通过公式(2)计算得到复合材料2纵向拉伸强度极限。
σbc＝(σbs-σbm*Vme)/Vc……………………(2)
式中：σbc代表复合材料2纵向拉伸强度极限；
σbm代表复合材料包套1材料拉伸强度极限；
Vme代表复合材料包套1的体积分数；
Vc代表复合材料2的体积分数。
步骤3：考虑维增强复合材料环状结构中纤维3的初始弯曲应力，利用下述理论对其中复合材料的纵向拉伸强度极限进行修正。
在维增强复合材料环状结构中纤维3始终处于弯曲状态，而试棒中纤维的形态为竖直状态，导致纤维增强复合材料环状结构中纤维3与复合材料试棒中纤维的应力状态存在差异，其有一定的初始弯曲应力。根据材料力学中曲率半径、弯矩、模量、弯曲应力的关系，建立纤维增强复合材料环状结构中纤维的载荷形变关系，如式(3)所示：
Figure BDA0002727267880000041
式(3)中：M为弯矩，ρ为曲率半径，I为截面惯性矩，Ef为复合材料环状结构中纤维3的弹性模量；
复合材料环状结构中纤维3的弯曲应力和弯矩以及截面惯性矩的关系如下：
Figure BDA0002727267880000042
式(4)中：σ为复合材料环状结构中纤维3横截面上的不同位置的应力，y为该位置与弯曲中性面的距离；将(3)(4)式联立，且y取复合材料环状结构中纤维3半径，可得复合材料环状结构中纤维3中最大弯曲应力：
σw＝Ef/ρ*r……………………………(5)
式中：σw为复合材料环状结构中纤维最大弯曲应力；
r为复合材料环状结构中纤维半径。
因复合材料环状结构中纤维中存在初始的弯曲应力，将导致复合材料承载能力降低，降低后的复合材料周向拉伸强度极限可采用式(6)进行表征：
σ’bc＝σbc-σw*(Vf+Em/Ef*Vm)……………(6)
式(6)中：
σbc为步骤2获得的复合材料拉伸强度极限
Vf为复合材料环状结构中纤维纤维体积分数；
Vm为复合材料环状结构中纤维的体积分数；
σ’bc弯曲应力修正后的复合材料拉伸强度极限；
Em为基体的弹性模量；
Ef为纤维弹性模量；
综上所述，形成一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法计算流程，如图3所示。

Claims (8)

1.一种纤维增强复合材料环状结构周向拉伸性能表征方法，其特征在于，所述方法包括：
获取实测复合材料试棒纵向拉伸强度极限σbs、包套材料拉伸强度极限σbm、复合材料的体积分数Vc和复合材料包套的体积分数Vme；
根据σbs、σbm、Vc和Vme，利用公式σbc＝(σbs-σbm*Vme)/Vc，计算得到复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc；
对所述复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc进行修正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述复合材料沿纤维方向拉伸强度极限σbc进行修正，具体包括：
预先设置复合材料中纤维体积分数Vf和复合材料中纤维体积分数Vm；
通过实测获取复合材料基体的弹性模量Em和纤维弹性模量Ef；
根据力学公式，计算得到纤维初始弯曲应力σw；
根据所述Vf、Vm、Em、Ef和σw，利用公式σ’bc＝σbc-σw*(Vf+Em/Ef*Vm)，计算弯曲应力修正后的拉伸强度极限σ’bc。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算得到复合材料环状结构中纤维初始弯曲应力σw，具体包括：
获取复合材料环状结构中纤维的曲率半径ρ、纤维截面半径r；
根据所述ρ、所述Ef、复合材料环状结构中纤维截面的半径r，利用公式σw＝Ef/ρ*r，计算得到复合材料环状结构中纤维初始弯曲应力σw。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包套材料拉伸强度极限σbm的获取方法，具体包括：
制取与包套材料同材料的标准试样；
将标准试样置于复合材料试棒的加工设备中，使其与复合材料试棒经历相同的工艺过程；
利用拉伸试验机测取包套材料试样的拉伸强度极限σbm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，复合材料的体积分数Vc获取方法，具体包括：
复合材料试棒断裂后，切取复合材料断面，切取位置应远离断口；
实测复合材料试棒断面的直径R、包套厚度b；
根据所述R、b，利用公式Vc＝(R-2b)2/R2，计算得到包套体积分数Vc。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实测获取复合材料基体的弹性模量Em获取方法，具体包括：
制取与复合材料基体材料相同材料的标准试样；
将标准试样置于复合材料试棒的加工设备中，使其与复合材料试棒经历相同的工艺过程；
利用拉伸试验机测取复合材料基体的弹性模量Em。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，复合材料环状结构中纤维曲率半径ρ的获取方法，具体包括：
将复合材料视为均匀材料，采用宏观有限元法分析得到复合材料环状结构的应力场，测取复合材料周向应力最大位置与旋转中心的距离，得到复合材料环状结构中纤维曲率半径ρ。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法还包括：
根据宏观有限元法结果获取复合材料环状结构的最大周向应力σz；
当σz>σ’bc时，认为复合材料环状结构将发生破坏。
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