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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】:

碳纤维增强复合材料应力检测技术,王伟;张宇民;周玉锋;孟松鹤;《材料导报》;2017年S1期


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

碳纤维增强复合材料应力检测技术,王伟;张宇民;周玉锋;孟松鹤;《材料导报》;2017年S1期


]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

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