一种复合材料力学性能检测方法及应用与流程

本发明涉及材料力学检测，尤其涉及一种复合材料力学性能检测方法及应用。

背景技术：

1、复合材料的高速发展始于上世纪80年代，以碳纤维复合材料为代表的复合材料体系以模量高、强度高、低密度等特点在航空、航天领域得到广泛应用。当时，碳纤复合材料客户以经济实力强劲的飞机制造商、航天中心为主。当时的测试方法及标准延用金属材料测试标准和方法。碳纤复合材料的可行性论证是以巨大的经济与时间开销为代价的。

2、复合材料通常由纤维增强项与基体材料组成。基体材料主要负责形状固定及载荷传递，纤维增强项负责载荷。通常情况下，纤维的模量会高出基本材料一个量级，这也导致了复合材料在纤维排布方向上的模量会高于或远高于垂直于纤维排布的方向。如图1和图2所示，正交各向异性、对温度变化敏感是复合材料最典型的特征。

3、对于复合材料板，影响结构力学性能的有4个物理量，即沿纤维方向和垂直纤维方向的弹性模量e1，e2；泊松比v12以及剪切模量g12。对典型的正交各向异性材料，有e1远大于e2。当材料模量没有明显取向性的时候，即e1＝e2，且取值与方向无关时，此时材料称为各向同性材料。

4、结合材料力学参数脉冲激振测法的研究结果，美国材料与试验协会于2022年7月提出了astm e1876-22材料力学参数脉冲激振测试标准，该标准详细描述了梁样本的制备标准及测试条件。在此标准公布之前，美国ta公司开发了动态模量测试仪(dma)，中国科学院合肥研究所开发了弹性模量测试仪。这两款仪器均使用固定梁样本作为标准测试件，如图3所示。以固定梁的振动频率作为目标函数，迭代计算梁样本的材料参数e，v，g。另外，公开号为cn106596723a的专利中也公开了一种基于自由梁振动进行材料参数计算的方法。如图4所示，该方法用到了自由梁振动模型，其悬挂点为梁样本一阶弯曲模态的振动不动点；结果较固定梁模型更加可信。

5、以上现有技术是目前脉冲激振测试法在材料力学参数测试中的最新成果。明显的是，以上几种脉冲激振测试方法，均单一使用梁样本作为测试对象。由此引出以下2个应用局限性：1、e1、e2无法同时测量：梁样本的几何特性导致其沿长度方向的模量在振动过程中占主导地位，沿宽度方向的模量e2在振动过程中的贡献被忽略；因此梁样本无法同时测量e1和e2。2、对正交各向异性材料，基于梁样本的测试无法获得剪切模量：剪切模量来自于e1和e2的耦合效应。如上所述，梁样本不具备同时反映e1和e2的能力，因此基于梁样本的测试无法正确对剪切模量进行标定。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种复合材料力学性能检测方法及应用，解决现有脉冲激振测试法的应用局限问题，实现正交方向杨氏模量e1、e2以及剪切模量g12的同时测试。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

3、第一方面，本发明公开了一种复合材料力学性能检测方法，包括以下步骤：复合材料板样本自由振动频率提取、模态分析输入初值计算、使用商用模态分析软件进行模态分析，通过对比实测频率与计算频率得到复合材料力学参数。

4、进一步，所述复合材料板样本自由振动频率提取的步骤包括：

5、s1、将待测材料制备成为矩形板样本，测量矩形板样本的几何参数及重量；

6、s2、在矩形板样本的矩形边的中点及顶点进行开孔；

7、s3、采用长线将开孔的矩形板样本悬挂，并允许矩形板样本在受到振动激发后进行自由振动；

8、s4、激发振动矩形板样本，并采用激光测振仪采集矩形板样本的振动幅度，或者采用粘贴式加速度计采集矩形板样本的加速度。

9、进一步，所述模态分析输入初值计算步骤包括：根据几何参数及重量，以及输入任意设置的材料参数模量e1、模量e2、泊松比v12、剪切模量g12力学参数，计算在该组力学参数下的多个振动模态x1,x2,…,xn及与其所对应的振动频率f1,f2,…,fn，从中选取最接近实测值f1exp,f2exp,f3exp,…,fmexp的m个。

10、进一步，所述使用商用模态分析软件进行模态分析，通过对比实测频率与计算频率得到复合材料力学参数步骤包括：根据f1exp,f2exp,f3exp,…,fmexp与f1,f2,…,fm差值，重新设置参数e1,e2,v12,g12，并重复所述模态分析步骤，直至达到收敛条件，输出最后一组力学参数e1,e2,v12,g12及频率误差。

11、进一步，所述步骤s4中采用激光测振仪采集矩形板样本的振动幅度的采样频率＞50khz，位移探测灵敏度＜50nm，激光测振仪与矩形板样本之间的工作距离＞1米。

12、进一步，所述步骤s4中采用粘贴式加速度计采集矩形板样本的加速度的采样频率＞50khz，质量＜3克，具有前置放大器，粘贴式加速度计最小测量值＜0.004g。

13、进一步，所述步骤s3中的长线的长度大于矩形板样本开孔孔边距的100倍。本技术方案如此的设置，可以减小悬挂产生的阻尼影响自由振动。

14、进一步，所述步骤s1中的几何参数包括矩形板样本的的长度、宽度、厚度和质量。

15、进一步，所述步骤s4中的采用激光测振仪采集矩形板样本的振动幅度，或者采用粘贴式加速度计采集矩形板样本的加速度的采集环境为环境箱，所述环境箱具有-55℃至150℃温度调节能力，且有透明视窗。

16、第二方面，本发明还公开了一种应用，所述应用为上述的复合材料力学性能的检测方法在超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料力学性能的检测中的应用。

17、本发明的有益效果：

18、1、本发明通过实验采集超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料板样本自由振动频率，以预想参数作为初值输入给模态分析算法，计算材料样本的振动频率；将计算值与实际测试值比对，并通输入参数进行优化，迭代计算，直至计算振动频率收敛至实测频率；此时模态分析算法接收到的输入参数即为实测样本的材料参数；解决了复合材料在宽温域范围内力学参数持续标定的技术难题，为复合材料结构件力学分析及寿命预测提供定量的数据支撑。

19、2、本发明以超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料板作为测试样本，其宽度远大于梁样本。因此正交各向异性材料在长度方向的模量(e1)、宽度方向的模量(e2)、以及其耦合效应(g12)均对样本振动产生贡献，并最终反映在超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料板的自由振动频率当中，这为后续迭代计算提供了物理基础。

1.一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：复合材料板样本自由振动频率提取、模态分析输入初值计算、使用商用模态分析软件进行模态分析，通过对比实测频率与计算频率得到复合材料力学参数。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于，所述复合材料板样本自由振动频率提取的步骤包括：

3.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于，所述模态分析输入初值计算步骤包括：根据几何参数及重量，以及输入任意设置的材料参数模量e1、模量e2、泊松比v12、剪切模量g12力学参数，计算在该组力学参数下的多个振动模态x1,x2,…,xn，及与其所对应的振动频率f1,f2,…,fn，从中选取最接近实测值f1exp,f2exp,f3exp,…,fmexp的m个。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于，所述使用商用模态分析软件进行模态分析，通过对比实测频率与计算频率得到复合材料力学参数步骤包括：根据f1exp,f2exp,f3exp,…,fmexp与f1,f2,…,fm差值，重新设置参数e1,e2,v12,g12，并重复所述模态分析输入初值计算步骤，直至达到收敛条件，输出最后一组力学参数e1,e2,v12,g12及频率误差。

5.根据权利要求2所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于：所述步骤s4中采用激光测振仪采集矩形板样本的振动幅度的采样频率＞50khz，位移探测灵敏度＜50nm，激光测振仪与矩形板样本之间的工作距离＞1米。

6.根据权利要求2所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于：所述步骤s4中采用粘贴式加速度计采集矩形板样本的加速度的采样频率＞50khz，质量＜3克，具有前置放大器，粘贴式加速度计最小测量值＜0.004g。

7.根据权利要求2所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于：所述步骤s3中的长线的长度大于矩形板样本开孔孔边距的100倍。

8.根据权利要求2所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于：所述步骤s1中的几何参数包括矩形板样本的的长度、宽度、厚度。

9.根据权利要求2所述的一种复合材料力学性能检测方法，其特征在于：所述步骤s4中的采用激光测振仪采集矩形板样本的振动幅度，或者采用粘贴式加速度计采集矩形板样本的加速度的采集环境为环境箱，所述环境箱具有-55℃至150℃温度调节能力，且有透明视窗。

10.一种应用，其特征在于：所述应用为权利要求1所述的复合材料力学性能的检测方法在超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料力学性能的检测中的应用。