纤维增强塑料复合材料I型疲劳分层扩展起始的试验方法 编制说明

纤维增强塑料复合材料I型疲劳分层扩展起始的试验方法(征求意见稿)2二、国家标准编制意义、编制原则和确定国家标准制定的主要内容七、与现行相关法律、法规、规章及相关标准，特别十、贯彻标准的要求和措施建议（包括组织措施3年第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》进行制订，标准计划项目编号42024年4月，标准起草调研组赴中国飞机强度研究所、北京航空制造工程研究所开展实需求，具体表现在如下三个方面：(1)实际飞机结构中的层板都是多向层板，目前大都是参考的，但是如果用于测试复合材料多向层板，未明确是否适用；2024年5月，标准起草调研组赴天津爱思达新材料科技有限公司、中航复合材料有限责织物预浸料，材料的制备工艺为常见的热压罐工艺，考核2024年6月，重庆大学、河北工业大学、北京航空航天大学根据调研情况，同时结合国5进行清点、记录，并根据之前的工作安排，分别寄送到不同的测试单赵丽滨、王雅娜、邹罗欢、田顶力、高原、何玉怀、刘丰睿、张海表1标准工作组分工及承担的工作分工具体工作职责及工作内容承担单位牵头统筹安排标准制定工作重庆大学标准编写标准文本、编制说明等附件材料重庆大学试验数据的收集中国航发北京航空材料研究院调研报告河北工业大学试验件制备复合材料I型疲劳分层试件的制备中国航发北京航空材料研究院天津爱思达新材料科技有限公司中国航空制造技术研究院6中航复合材料有限责任公司试验验证试验验证及数据分析重庆大学北京航空航天大学河北工业大学表2起草人分工及所做工作人员任务分工龚愉负责标准及编制说明、意见汇总处理表及验证报告等的编写、试验方案确定及组织协调赵丽滨、高原协调参编单位的组织协调，技术指导于宗芝、韩宇、丁常方、唐占文试验件的加工、制备邹罗欢、田顶力、田立恒、高玉婷、唐伟、戴尚秋、王云龙、张任、杨年欢、李兆斌、高原、刘丰睿验证试验张海雁、赵丽滨、贾若迪标准技术内容研讨，提出修改建议7根据断裂力学可以将分层分为三种基本形式：modeI（张开型m的裂纹扩展行为，这是复合材料分层中最为常见、最为基础分层扩展对应的临界能量释放对比其它分层扩展形式对应的临界应变能释放率要低。因此，I合材料准静态分层预测模型和试验标准。目前已发布的复合标准适用于纤维方向全部为0°的单向铺层复合材料，主要包括GB/T28891-2012，HB—97(2019)“StandardTestMethodforModUnidirectionalFiber-ReinforcedPolymerMatrixComposites（单向纤维增强聚合物基复合材料I别是HB7402-1996与GB/T28891-2012。二者均采用83、符合我国发展核心关键复合材料综合应用技术水平的发展规疲劳分层扩展起始性能的测定也可参照本文件。主要技术度要求。单个试样的厚度和宽度与该组试样平均值的偏差不应超过±1%。通过植入薄膜预制则见《纤维增强塑料复合材料I型疲劳分层扩展起始的试验方法》A.3，并基于预计的层间断9裂韧性值而不必进行位移修正。也可采用宽度在15mm~30mm之间的试样，允许增加试样的在最小和最大位移δmin和δmax之间循环。对于线弹性和小挠度试样(δ/a<0.4)，位移比δmin/δmax梁理论计算出来的。通过对多个试样开展不同GImax下测试，可以得到所选加载频率下GImax图4使用铰链的DCB试样使用千分尺测量每个试样长度，精确到毫米。沿着试样长度方向上间隔均匀的3个点，测量试样宽度，精确到0.02mm。沿试样中心线测量上述3点的厚度，精确到0.02mm。最后在中心接近边缘的2个点上测量试样厚度，以检查试样的厚度均匀性。沿试样长度方向的厚度变化在加载过程中可能需要对试样端部进行支撑，以保持如果要获取完整的G-N曲线，则必须确定GImax的不同值。第一次试验时可以选定GImax≈其中，[δcr]av为准静态试验中预制薄膜末端处发生分层扩展时所对应临界位移根据选定的位移比和δmax分别计算循环位移最小值δmin和平均值δmean。试验频率应在1~10Hz，这是为了避免频率过高导致的试件内部温度过高。确保位移比正确。开始疲劳试验的增加或峰值荷载的下降是由分层扩展引起的，而不是由本标准借鉴、参考美国材料实验协会(AmericanSocietyofTestingMaterials)制定的单向纤维增强聚合物基复合材料I型疲劳分层起始测试标准规程ASTMD6115-97（StandardTestMethodforModeIFatigueDelaminationGrowthOnsetofUnidirectionalFiber-ReinforcedPolyMatrixComposites）的试验原理。技术上优于ASTMD6115。另外，通过充分的试验验证，本标准的适用范围更宽泛，不仅适七、与现行相关法律、法规、规章及相关标准，特在违反法律、法规、规章的情况，也与强制性国家标本标准的格式和表达方式等方面完全执行了现行的国家标准和有关法规，符合GB/T3、建议本标准批准发布6个月后实施。建议标准发布后，及时组织开展宣贯与培训，以无1附件1试验验证报告(征求意见稿)标准起草工作组21试验目的 32试验方案 33试验方法 43.1试验步骤 3.2数据处理方法 4试验结果 74.1不同类型的复合材料I型疲劳分层起始试验结果 4.2同一种材料不同实验室间对比结果 124.3复合材料单向、多向层板试样I型疲劳分层起始试验结果 243依据《纤维增强塑料复合材料I型疲劳分层扩展起始的试验方法》(征求意见稿)中的各项规定，对各种不同类型、不同铺层形式的纤维增强聚合物基复合材料层板，在多家有资质的复合材料力学测试实验室开展I型疲劳分层扩展起始试验，验证拟制定的《纤维增强聚合物基复合材料I型疲劳分层扩展起始的试验方法》的适用性。为了充分验证《纤维增强塑料复合材料I型疲劳分层扩展起始的试验方法》的适用性，拟开展以下三个方面的验证试验工作。（1）不同类型复合材料I型疲劳分层起始试验的适用性验证；（2）同一种材料I型疲劳分层起始试验的实验室对比验证；（3）复合材料单向、多向层板试样I型疲劳分层起始试验的适用性验证。验证试验采用如图1所示的双悬臂梁(Doublecantileverbeam,DCB)试样，材料覆盖了工程中常见的各种典型的复合材料，不同材料I型疲劳分层扩展起始试验适用性验证的试验矩阵见表1。按照纤维类型划分，包括碳纤维和玻璃纤维；按照预浸料类型划分，包括单向预浸料、织物预浸料，成型工艺选择热压罐成型；试验的应力比选择R=0.1。型1UD700-12k/IS1301-210/34(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S2012//0123FP300-3k/IS1301-200/物(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S4EW200-100/IS1301-20维物(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S5维物012//012其中：（1）不同类型复合材料I型疲劳分层起始试验的适用性验证使用UD-CF-Z1、PW-CF-Z1、PW-GF-Z1三种试件；（2）同一种材料I型疲劳分层起始试验的实验室对比验证使用UD-CF-Z1、UD-CF-Z2、PW-CF-Z1三种试件；4（3）复合材料单向、多向层板试样I型疲劳分层起始试验的适用性验证使用UD-CF-Z1、UD-CF-Z2、PW-GF-Z1和PW-GF-Z2四种试件（PW-GF-Z1和PW-GF-Z2待完成）。1、试验前准备（1）检查试样外观，剔除产生扭曲、翘曲和切割损伤的试样。并使用超声扫描仪对裂纹前缘形态和分层区域等区域进行扫描观察，如有缺陷和不符合尺寸及制备要求者，应予作废。为每个合格的试样编号。（2）使用千分尺测量每个试样长度，精确到0.02mm。沿着试样长度方向上间隔均匀的3个点，测量试样宽度，精确到0.02mm。沿试样中心线测量上述3点的厚度，精确到0.02mm。最后在中心接近边缘的2个点上测量试样厚度，以检查试样的厚度均匀性。沿试样长度方向的厚度变化不应超过0.1mm。记录每次测量的宽度、厚度和平均值。2、试样安装（1）铰链与试样间采用环氧树脂AB胶粘接固定。（2）将试样上的铰链安装在加载机的夹头上，确保试样对齐并居中。（3）对于过长的试样，在加载过程中可能需要对试样端部进行支撑，以保持试样垂直于加载方向。3、试验加载（1）确定并记录初始分层长度a0。当第一次测试材料或实验人员对观察初始分层没5有经验的情况时，推荐制备不少于一个的备用试样。如果在试样未受载时不易看到初始分层，可以施加一个小位移来打开试样以便于观察初始分层。但是该位移不能超过平均循环位移δmean。预制裂纹末端的准确位置也可以在试验结束后将试样打开来进行确定。（2）如果要获取完整的G-N曲线，则必须确定GImax的不同值。第一次试验时可以选定GImax≈50%[GIc]av。如果准静态试验的试样几何与疲劳试验相同，则最大循环位移δmax可通过准静态试验确定：式中：δmax——循环位移最大值，单位为mm；[δcr]av——准静态试验中预制薄膜末端处发生分层扩展时所对应临界位移的平均值，单位为mm；GImax——I型循环应变能释放率的最大值或峰值，单位为J/m2；GIc——I型层间断裂韧性，单位为J/m2。（3）根据选定的位移比和δmax分别计算循环位移最小值δmin和平均值δmean。试验频率为1~10Hz，并确保位移比正确。开始疲劳试验并记录Pmax。（4）记录位移-载荷曲线的斜率（柔度）和对应的循环次数。如果在试验过程中不能确定柔度值，则应在平均位移时停止试验，卸载至最小位移，记录位移与载荷的关系曲线。然后将试样重新加载到平均位移，继续进行疲劳试验。需要确保柔度的增加或峰值荷载的下降是由分层扩展引起的，而不是由平均载荷的漂移引起的。（5）绘制柔度与循环数之间的关系，分别记录相比N=1时的柔度增加了1%和5%时对应的循环数N1%a和N5%a，如图2所示。（6）当柔度增加到N=1时其值的105%以上或试验已超过所需的最大循环数时，停止试验。如果需要完整的G-N曲线，则应在不同的最大循环位移下进行进一步试验。6（1）最大循环应变能释放率根据N=1时的δmax,Pmax,a值和平均分层长度修正量|∆|av，通过公式(2)计算出每个试样的最大循环应变能释放率GImax：式中：GImax——I型循环应变能释放率的最大值或峰值，单位为J/m2；Pmax——循环载荷最大值，单位为N；δmax——循环位移最大值，单位为mm；b——试件宽度，单位为mm；a——分层长度，单位为mm；[∆]av——准静态试验中∆的均值，单位为mm。（2）柔度试件柔度C按公式(3)计算，计算结果保留三位有效数字。式中：P——载荷，单位为N；7δ——加载点挠度，单位为mm。（3）平均分层长度修正量|∆|av平均分层长度修正量|∆|av是从准静态试验中所确定分层长度修正量的平均值。将柔度的立方根C1/3作为分层长度a的函数绘制坐标图来建立二者之间的关系（见图3其中柔度C是准静态试验中加载点位移与荷载的比值δ/P。通过数据拟合直线的外推产生与X轴的截距Δ。如果得到的截距Δ为正值，则取Δ=0。（4）统计对于每一组试样，计算每一种测试性能的算术平均值、标准差和离散系数。针对第二章中不同类型的复合材料层板试件（UD-CF-Z1、PW-CF-Z1、PW-GF-Z1以1×105循环数为目标循环，I型疲劳分层起始试验的测试数据如表2~表4所示，得到的G-N1%a和G-N5%a结果如图4~图6所示。（1）UD-CF-Z1试件I型疲劳分层起始数据及G-N曲线Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle31764788529650-1581561096169233387-9（2）PW-CF-Z1试件I型疲劳分层起始数据及G-N曲线Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle17111313161810-92-269360462564666-768-（3）PW-GF-Z1试件I型疲劳分层起始数据及G-N曲线Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle9697232728-5650052-157356-555-6975-99-对比试验分别在重庆大学、北京航空航天大学、河北工业大学进行，试验现场照片见针对第二章中的三种复合材料层板试件（UD-CF-Z1、UD-CF-Z2、PW-CF-Z1以1×105循环数为目标循环，I型疲劳分层起始试验的测试数据如表5~表13。得到的G-N1%a和G-N5%a结果如见图8~图10。可以看到不同实验室下对同一种材料层板试样进行测试可以获得大致相同的测试结果，说明参考本试验方法可以获得具有高度可重复性、稳定性的测试结果。（1）UD-CF-Z1试件在不同实验室的I型疲劳分层起始数据及G-N曲线Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle1581561096169233387-Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle4924597691795809Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle962066119212317410553-（2）UD-CF-Z2试件在不同实验室的I型疲劳分层起始数据及G-N曲线Pmax/Ndmax/mmCN1%a/cycleN5%a/cycle-Pmax/Ndmax/mmCN1%a/cycleN5%a/cycle-Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle808486888082848708386-（3）PW-CF-Z1试件在不同实验室的I型疲劳分层起始数据及G-N曲线Pmax/Ndmax/mmCN1%a/cycleN5%a/cycle--Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle8493027120224-345-Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5