一种复合材料平纹织布撕裂阻力预测方法

摘要

一种复合材料平纹织布撕裂阻力预测方法，它有五大步骤：步骤一、选用无缺损复合材料平纹织布试样、中心圆形缺口复合材料平纹织布试样以及单端缺口复合材料平纹织布3种试样，测定拉伸强度及料断裂韧性；步骤二、对上述3种试样进行位移控制下的静拉伸破坏试验，沿试样径线方向施加拉伸载荷，记录各试样的载荷-位移曲线；步骤三、根据试验测得的载荷-位移曲线，确定各试样的撕裂阻力试验值σ；步骤四、根据线弹性断裂力学原理，得到各试样断裂韧性值KIC；步骤五、进一步对复合材料平纹织布的力学性能进行简化假设，推导出任意裂纹长度下复合材料平纹织布的撕裂阻力预测公式。本发明操作简便，成本低廉，在复合材料试验方法技术领域里有实用价值。

主权项

一种复合材料平纹织布撕裂阻力预测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一、试样的选定；选用无缺损复合材料平纹织布试样、中心圆形缺口复合材料平纹织布试样以及单端缺口复合材料平纹织布3种试样，前两种为无缺口试样以及中心圆形缺口试样，用于测定缺口/无缺口试样拉伸强度，试样尺寸依据ASTM D3039M‑2000(R06)确定；另一种为单端缺口试样，用于测定材料断裂韧性，试样尺寸依据ASTM D1004‑09加工而成；所有试样缺口由切割机切割而成，根半径为0.25mm；步骤二、对上述3种试样进行位移控制下的静拉伸破坏试验，试验在干燥室温环境下进行，沿试样径线方向施加拉伸载荷，实验过程中记录各试样的载荷‑位移曲线；步骤三、根据试验测得的载荷‑位移曲线，确定各试样的撕裂阻力试验值σ；对于无缺口、中心圆形缺口试样，撕裂阻力根据其载荷‑位移曲线上升段斜率确定；对于单端缺口试样，其撕裂阻力等于载荷峰值与试样在缺口处净面积之比，即σ=Pmax/Snet     （1）步骤四、根据线弹性断裂力学原理，得到各试样断裂韧性值KIC；断裂韧性计算公式如下所示： K IC = σ C Y ( a ) πa - - - ( 2 ) 其中a代表裂纹长度，σC代表试样发生断裂时外界施加的应力，Y(a)代表应力集中校正系数；对于脆性断裂过程，载荷‑位移曲线在上升段保持线性，此时选取峰值载荷对应的应力作为临界断裂应力；如果载荷‑位移曲线在上升段呈明显非线性，此时选取曲线斜率相对于初始斜率变化5%对应的应力水平作为临界断裂应力；根据《应力集中手册》查得，单端缺口试样的应力集中校正系数为：Y(a)=1.99‑0.41(a/b)+18.70(a/b)2‑38.48(a/b)3+53.85(a/b)4      （3）其中b代表单端缺口试样宽度；步骤五、进一步对复合材料平纹织布的力学性能进行简化假设，推导出任意裂纹长度下复合材料平纹织布的撕裂阻力预测公式；无限大平板，其在纵向、横向分别承受面内拉应力σ1、σ2，且板中心含长度为2a，角 度为β的狭缝，令σ1=σ，σ2=ασ，则狭缝应力集中系数由下式表达： K I = ( sin 2 β + α cos 2 β ) σ πa K II = [ ( 1 - α ) sin β cos β ] σ πa - - - ( 4 ) 其中α是σ2与σ1之比；根据最大环向应力准则，I、II型载荷联合作用下裂纹断裂判据为： ( K I cos 2 θ 0 2 - 3 2 K II sin θ 0 ) cos θ 0 2 < K IC - - - ( 5 ) 其中θ0是撕裂方向与裂纹方向之间的夹角，由下式表达：KIsinθ0+KII(3cosθ0‑1)=0            （6）将公式（4）代入公式（5），得 { ( sin 2 β + α cos 2 β ) cos 2 θ 0 2 - 3 2 [ ( 1 - α ) sin β cos β ] sin θ 0 } cos ( θ 0 2 ) σ πa < K IC - - - ( 7 ) 由公式（7），得到无限大含缺口平板撕裂阻力表达式 σ < K IC / { πa [ ( sin 2 β + α cos 2 β ) cos 2 θ 0 2 - 3 2 ( 1 - α ) sin β cos β sin θ 0 ] cos θ 0 2 } - - - ( 8 ) 公式（8）适用于各向同性材料，对于双向正交、且两主方向材料性质相同的平面结构而言，忽略其他方向材料性质的差异性，故公式（8）在此种情况下同样适用。