碳纤维增强复合材料应力检测技术

发布时间：2019-08-07 14:56

【摘要】：碳纤维增强复合材料在制备、加工到装配、服役过程中,由于热膨胀不匹配等原因会导致材料内部出现分层、裂纹等缺陷,这些缺陷往往使材料处于一定的应力状态。这些应力状态有些对结构有益,而大多会使分层、裂纹等缺陷加剧进而造成结构强度和稳定性的大幅下降,在结构设计过程中必须充分认识有害的残余应力。精确快速地检测复合材料所处的应力状态,对于准确评估结构的强度、稳定性和使用寿命至关重要。总结了有损和无损应力检测技术的研究现状,并通过分析不同检测方法的优势与不足,指出了今后碳纤维增强复合材料应力检测研究工作的发展趋势。
【图文】：

ｂｒｕｇｇｅ等学者的发展，大大提高了方法的测量精度［４－６］。美国材料协会ＡＳＴＭ自１９８１年就颁布了“ＳｔａｎｄａｒｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓｅｓｂｙｔｈｅＨｏｌｅ－ＤｒｉｌｌｉｎｇＳｔｒａｉｎ－ＧａｇｅＭｅｔｈｏｄ”标准［７］（Ｅ８３７－８１），表明小孔法在残余应力测量中已达到技术上的成熟。目前，小孔法作为应用最广泛的残余应力测量方法，在测试技术和理论计算上得到了深入的发展。小孔法测试的基本原理如图１所示，通过在存在残余应力的薄板中钻一个小孔，达到释放应力的目的。根据弹性力学原理和Ｋｉｒｓｃｈ理论解可以得到钻孔后释放的残余应力，再结合测得的小孔周边应变的释放值，即可计算得到薄板所处的应力状态。图１小孔法测试原理Ｆｉｇ．１Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｈｏｌｅ－ｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ传统实验中对小孔周边应变通常采用电阻应变片来测量，如图１中所示按一定角度布置了３只应变片。另外，随着应变测量技术的发展，一些学者将其他的应变测量方法应用到残余应力测试中。例如，Ｌｏｒｄ等［８］使用数字图像相关（ＤＩＣ）方法、Ｚｈｕ等［９］使用云纹干涉法测量了由钻孔引起的孔边应变释放。对于各向异性的复合材料，由于材料本身各组分性能、含量以及铺层方向不尽相同，其弹性模量和泊松比等性能在不同方向表现出明显的差异，导致释放应力与应变之间存在非常复杂的关系。Ｓｃｈａｊｅｒ和Ｙａｎｇ［１０］通过推导开孔周边位移场的解析解，得到了一种新的计算各向异性板中残余应力的方法。Ｖ．Ｓ．Ｐｉｓａｒ

］结合积分方法和增量钻孔技术计算了纤维金属层合板残余应力，并通过了有限元和实验验证。小孔法原理简单，易于实际工程操作，但对于各向异性的复合材料，释放应力的计算过于复杂，导致测量精度较低。１．３环芯法环芯法是由德国人Ｍｉｌｂｒａｄｔ于１９５１年提出的，它是一种将剖分法和小孔法改进得到的残余应力有损测量方法。环芯法通过在被测部件表面开环形槽，将中间环芯部分应变释放，同时使用应变片等方法测量环芯处开槽前后应变的释放值，，根据弹性力学原理即可得出残余应力值，环芯法原理图如图２所示。同样，对于释放应变的测量并不仅仅局限于应变片，Ｚｈｕ和Ｘｉｅ［１４］将数字图像相关（ＤＩＣ）方法与环芯法结合起来，在微观尺度上测量了热障涂层材料的界面残余应力；吴立夫等［１５］将云纹干涉技术与环芯法结合对铝合金进行了测量，得到了残余应力的面域分布。图２环芯法测试原理Ｆｉｇ．２Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｉｎｇ－ｃｏｒｅｍｅｔｈｏｄ环芯法具有更高的测量灵敏度，因为其释放的应变比小孔法高１个数量级［１６］。因此，环芯法可以适用于低水平的残余应力测量，已被选用为测量汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的测试标准［１７］。环芯法的环孔尺寸一般较大，环孔加工也比较困难，只适用于大尺寸构件的应力检测，所以目前环芯法在工程应用中比较少。上述３种有损检测技术都要通过机械的手段对材料内部应力进行释放，测量应变释放前后应变数据，然后根据弹性力学原理计算得到应力值，测量过程简单、直接。但对于内部处于复杂应力平衡状态的复合材料，有损检测方法应力计算较为复杂；另一方面，对于工程实际的大尺
【作者单位】： 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所;
【基金】：国家重点基础研究发展计划(2014CB046505)
【分类号】：TB332;TQ342.742


本文编号：2524025