高清可复制 HB 8621-2021 航空用聚合物基复合材料层合板挤压 旁路响应试验方法

　　ICS 49.025.99 V 15

　　HB 8621-2021

　　航空用聚合物基复合材料层合板挤压/

　　旁路响应试验方法

　　Test method for bearing/bypass interaction response of aviation polymer

　　matrix composite

　　2021-04-19 发布 2021-07-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1-2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：中国飞机强度研究所、中国航空综合技术研究所。

　　本标准主要起草人：乔永乐、杨胜春、程鹏飞、谢佳卉、蒲 浩、王力立、沈 薇。

　　航空用聚合物基复合材料层合板挤压/

　　旁路响应试验方法

　　1 范围

　　本标准规定了聚合物基复合材料层合板挤压/旁路响应性能试验方法原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算和试验报告。

　　本标准适用于单轴拉伸下挤压和旁路载荷沿同一方向的低挤压/旁路响应性能的测定，以得到用于材料规范、研究与开发、质量保证以及结构设计和分析用的挤压/旁路响应性能数据。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则

　　GB/T 3961 纤维增强塑料术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 3961 中界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　挤压面积 bearing area

　　用于将施加的载荷正则化为有效挤压应力的挤压试样的面积部分，等于受载孔的直径乘以试样的厚度。

　　3.2

　　挤压力 bearing load

　　在紧固件孔处由紧固件传递到试件上的面内力。

　　3.3

　　挤压应力 bearing stress

　　挤压力除以挤压面积。

　　3.4

　　挤压强度 bearing strength

　　旁路(净截面)失效点出现的挤压应力值。

　　3.5

　　挤压应变 bearing strain

　　试件中正则化的孔变形量，等于挤压力方向挤压孔的变形除以孔的直径。

　　3.6

　　极限挤压强度 ultimate bearing strength

　　挤压试件最大承载能力时的挤压应力值。

　　3.7

　　毛旁路应力 gross bypass stress

　　由经过钉孔和旁路钉孔的总载荷计算毛旁路应力。

　　3.8

　　净旁路应力 gross bypass stress

　　由经过钉孔和旁路钉孔的总载荷减去钉孔的挤压载荷计算净旁路应力。

　　3.9

　　极限毛旁路强度 ultimate gross bypass strength

　　挤压试件最大承载能力时的毛旁路应力值。

　　3.10

　　极限净旁路强度 ultimate net bypass strength

　　挤压试件最大承载能力时的净旁路应力值。

　　4 方法原理

　　采用双剪方式对试样施加拉伸载荷 F，使紧固件、层合板和垫板的钉孔表面接触， 形成挤压面，进而测量试样的挤压/旁路响应性能。挤压载荷通过紧固件传递到垫板，旁路载荷则通过层合板孔两侧传递。如图 1 所示。

　　本方法在试验前通过垫板和层合板的载荷-应变标定分别得到垫板和层合板的载荷-应变标定曲线，在试验时将垫板和层合板上的应变对照其标定曲线确定相应的载荷。

　　说明：

　　1——紧固件与垫板挤压面;2——紧固件与试样挤压面;3——紧固件;4——垫板;5——试样;F——载荷; FD ——试样传递到紧固件上的挤压力。

　　图 1 挤压/旁路响应示意图

　　5 试验设备

　　5.1 总则

　　试验设备主要包括：试验机、环境箱、浸润箱、扭矩扳手和引伸计，试验设备均需经检定/校准合格，并在有效期内使用。

　　5.2 试验机

　　试验机应符合 GB/T 1446 中的规定。

　　5.3 环境箱/浸润箱

　　环境箱与浸润箱应符合 GB/T 1446 中的规定，环境箱与浸润箱温度控制在所规定温度的±3℃范围内，浸润箱湿度控制在所规定湿度的±5%RH 范围内。

　　5.4 扭矩扳手

　　扭矩扳手应满足精度为 4 级。

　　5.5 引伸计

　　引伸计应符合 GB/T 1446 中的规定。引伸计标距为 50mm，精度为 1 级。

　　6 试样

　　6.1 试样形状与尺寸

　　试样由层合板、紧固件和垫板组成，如图 2。

　　说明：

　　1——层合板;2——紧固件;3——垫板。

　　图 2 试样装配示意图

　　层合板形状与尺寸如图 3 所示，层合板的厚度 h 为 2mm～5mm，推荐厚度为 3mm，推荐孔径 D 为6mm，试样宽度 w 为 36mm。其他孔径的试样，宽度推荐为 6D。铺层形式应当具有多个纤维取向，且对称均衡。

　　垫板形状与尺寸如图 4 所示，垫板中间凹槽设计是为了与试样装配后在试样表面留出间隙用以粘贴应变计，凹槽两端应有倒角 R，垫板材料推荐 30CrMnSi 材料(屈服强度不小于 1GPa)，垫板与层合板配钻制孔。

　　紧固件直径为 6mm (+0.03/0)，按推荐层合板厚度紧固件光杆长度不小于 13mm，装配后紧固件螺纹应在垫板外侧。层合板孔径和宽度为其他尺寸时，垫板孔径和宽度与层合板一致。

　　单位为毫米

　　图 3 层合板形状与尺寸

　　单位为毫米

　　图 4 垫板形状与尺寸

　　6.2 试样数量

　　每组有效试样应不少于 5 个。

　　6.3 垫板和层合板载荷-应变标定试样形状与尺寸

　　垫板和层合板载荷-应变标定试样形状与尺寸与 6. 1 相同，取试样中的 1 件。

　　垫板载荷-应变标定试样装配如图 5，需应变计粘贴后装配，垫板载荷-应变标定用加载板形状与尺寸如图 6。紧固件的力矩是 0.6N ·m～1.2N ·m。

　　说明：

　　1——垫板载荷-应变标定用加载板;2——垫板;3——应变计;4——紧固件。

　　图 5 垫板载荷-应变标定试样装配示意图

　　单位为毫米

　　图 6 垫板载荷-应变标定用加载板

　　层合板载荷-应变标定试样装配如图 7，层合板载荷-应变标定用加载板形状与尺寸如图 8。紧固件的拧紧力矩为 0.6 N ·m～1.2N ·m。

　　1 2 3 4

　　说明：

　　1——垫板载荷-应变标定用加载板;2——垫板;3——应变计;4——紧固件。

　　图 7 层合板载荷-应变标定试样装配示意图

　　单位为毫米

　　图 8 层合板载荷-应变标定用加载板

　　6.4 试样制备

　　试样制备按 GB/T 1446 中的规定。

　　7 试验条件

　　7.1 试验环境条件

　　7.1.1 实验室标准环境条件

　　实验室标准环境条件应满足 GB/T 1446 中的要求。

　　7.1.2 非实验室标准环境条件

　　7.1.2.1 高温试验环境条件

　　高温试验环境条件要求如下：

　　a) 应先将环境箱和试验夹具预热到规定的试验温度，然后将试样加热到规定的试验温度;

　　b) 试样工作段应设置直接接触的温度传感器，随时校验温度;

　　c) 由温度传感器测得的试样表面温度应在规定试验温度的±3℃范围内。

　　对于干态试样，应在试样达到规定试验温度后，保温 5min～10min 开始试验;对于湿态试样，应在试样达到规定试验温度后，保温 2min～3min 开始试验。

　　7.1.2.2 低温(低于零度)试验环境条件

　　低温试验环境条件要求如下：

　　a) 应先将环境箱和试验夹具冷却到规定的试验温度，然后将试样冷却到规定的试验温度;

　　b) 试样工作段应设置直接接触的温度传感器，随时校验温度;

　　c) 试样达到规定试验温度后，保温 5min～10min 开始试验。

　　由温度传感器测得的试样表面温度应在规定试验温度的±3℃范围内。

　　7.2 试样状态调节

　　7.2.1 干态试样状态调节

　　试验前，试样在实验室标准环境条件下至少放置 24h。

　　7.2.2 湿态试样状态调节

　　试验前，应将试样放置在浸润箱中吸湿，并在规定的温度和湿度条件下使试样达到所要求的吸湿状态。推荐的温度和湿度条件如下：

　　a) 温度：70℃±3℃;

　　b) 相对湿度：85%RH±5%RH。

　　调节结束后，可以直接开始力学性能试验，或者将试样连同潮湿纸巾放入密封袋内保存，试样在密封袋内的储存时间应不超过 14d。

　　若在温态试样状态调节结束后对试样粘贴应变计，则可在实验室标准环境下进行，但应变计粘贴时间不应超过 2h。

　　8 试验步骤

　　8.1 试验前准备

　　试验前准备要求如下：

　　a) 按 GB/T 1446 中的规定检查试样外观，对每个试样编号。

　　b) 在试样应变计粘贴和装配前，按 GB/T 1446 中的规定，测量试样孔位置处的宽度 w 和厚度 h，孔径 D。厚度测量精确到 0.01 mm ，其余均为±0.02 mm。

　　c) 在试样装配前，按 8.2 粘贴应变计。

　　d) 按 6.3 装配垫板和层合板载荷-应变标定试样。

　　e) 完成垫板载荷-应变标定和层合板载荷-应变标定后，按 6. 1 装配试样。

　　f) 按 7.2 的规定对试样进行状态调节。

　　8.2 应变计粘贴

　　层合板应变计粘贴如图 9 所示，垫板应变计粘贴如图 10 所示。

　　说明：

　　1——应变计。

　　图 9 层合板应变计粘贴图

　　说明：

　　1——应变计。

　　图 10 垫板应变计粘贴图

　　8.3 垫板载荷-应变标定

　　将垫板载荷-应变标定试样对中夹持于试验机夹头中，施加拉伸载荷，直至最大载荷 PDca，连续记录载荷-应变数据，最大载荷 PDca 按式(1)～式(5)计算。

　　PDca = 1.1×kD × Pmax …………………………………………(1)

　　式中：

　　kD

　　CP ……………………………………………(3)

　　C = L ……………………………………………(4)

　　S xS

　　式中：

　　PDca ——垫板载荷-应变标定试验施加的最大载荷;

　　kD —— 通过紧固件传递到垫板的总载荷比例的估计值;

　　Pmax ——预期的挤压/旁路试样破坏载荷;

　　CP —— 板(试样)的柔度;

　　CS —— 垫板的柔度;

　　CF —— 紧固件的柔度;

　　tP ——试样厚度，单位为毫米(mm);

　　tS ——垫板的厚度，单位为毫米(mm);

　　w ——试样宽度，单位为毫米(mm);

　　ExP ——层合板试样模量，单位为吉帕(GPa);

　　ExS ——垫板 x 方向的模量，单位为吉帕(GPa);

　　EF ——紧固件的模量，单位为吉帕(GPa);

　　vF ——紧固件的泊松比;

　　D ——紧固件的直径，单位为毫米(mm);

　　L ——紧固件中心的距离，单位为毫米(mm)。

　　8.4 层合板载荷-应变标定

　　将层合板载荷-应变标定试样对中夹于试验机夹头中，施加拉伸载荷，直至最大载荷 PDca，加载速率为 2 mm/min，连续记录载荷-应变数据。载荷不大于预期层合板挤压屈服强度的 80%。

　　8.5 试样安装

　　试样安装步骤如下：

　　a) 将试样对中夹持于试验机夹头中，两端夹持深度为 50mm;

　　b) 按图 11 安装引伸计。

　　8.6 试验

　　试验步骤如下：

　　a) 对于在实验室标准环境条件下进行的试验，满足 7.1. 1 的规定进行;而对于在非实验室标准环境条件下进行的试验，则满足 7.1.2 的规定进行。

　　b) 预加载，对试样施加拉伸载荷。预加载的最大载荷为预估破坏载荷的 30%以内，加载速率为2mm/min，连续记录载荷-应变、载荷-位移数据。

　　c) 正式试验，以 2mm/min 的加载速率对试样连续施加拉伸载荷，直到试样破坏，连续记录载荷-应变、载荷-位移数据， 试样的最大载荷、破坏载荷以及尽可能接近断裂瞬间的挤压应变(或孔的位移)。

　　8.7 破坏模式

　　挤压-旁路试验一般的失效模式如图 12 所示，拉伸旁路可接受的破坏模式如图 13 所示。

　　说明：

　　1——引伸计 1;2——引伸计 2。

　　图 11 引伸计安装示意图

　　图 12 挤压-旁路试验一般的失效模式

　　图 13 拉伸旁路可接受的破坏模式

　　9 计算

　　9.1 挤压/旁路载荷比例

　　对于用同样垫板的试验，按照式(6)计算垫板的承载比例：

　　PD = PD1+P D2 ………………………………………………(6)

　　kD = PD/P…………………………………………………(7)

　　式中：

　　PD ——垫板承受的载荷，单位为牛顿(N);

　　PD1 ，PD2 ——两个垫板分别承受的载荷，单位为牛顿(N);

　　kD ——垫板的承载比例;

　　P ——施加到试样上总载荷，单位为牛顿(N)。

　　从记录的 P =Pmax 时的载荷-应变数据，对于垫板上的每个应变计，计算应变 εdi，采用 8.2. 1 中垫板载荷-应变标定方法得到的垫板的载荷-应变标定数据，确定相应于应变 εdi 的载荷 Pdi。如果试验的两个垫板在标定时是对称布置的，则载荷除以 2。对于计算由垫板应变计得到的载荷平均值：

　　………………………………………………(8)

　　式中：

　　PDj ——两个垫板上分别受到的载荷( j =1，2);

　　n ——垫板上应变计的数量。

　　按照式(6)并令 P =Pmax 计算 kD 值。用 8.2.2 中试样载荷-应变标定方法得到的载荷-应变标定数据确定相应于应变 εsi 的载荷 Psi。可能需要将试样的载荷-应变标定曲线外推来确定载荷， 因为在标定阶段不可能对试样加既不引起损伤又足够高的载荷水平。建议对标定载荷-应变曲线最后 20%的部分作为起点外推，若 kD 和 kS 之和不足以接近 1.0，则须对外推进行调整。计算由试样上的应变计得到的载荷平均值 PS。按照式(9)并令 P =Pmax 计算 kS 值。

　　kS = PS/P…………………………………………………(9)

　　式中：

　　kS ——试样的承载比例;

　　PS ——在两个紧固件之间位置的试样所承受的载荷，单位为牛顿(N)。

　　由垫板和试样上的应变计确定的 kD 和 kS 值之和应近似等于 1.0。若它们的和不接近 1.0，应研究标定的载荷-应变数据和进行挤压/旁路试验，以查找异常和矛盾之处。

　　9.2 极限旁路强度

　　极限毛旁路强度按照式(10)计算，记录结果取三位有效数字。

　　σgr_byp_t = Pb /(w× h)………………………………………(10)

　　式中：

　　σgr_byp_t ——极限净旁路强度，单位为兆帕(MPa);

　　Pb ——失效前的最大载荷，单位为牛顿(N);

　　w ——试样宽度，单位为毫米(mm);

　　h ——试样厚度，单位为毫米(mm)。

　　极限净旁路强度按照式(11)计算，记录结果取三位有效数字。

　　σnet_byp_t = (1 _ kD)× Pmax /(w× h)………………………………………(11)

　　式中：

　　σnet_byp_t ——极限净旁路强度，单位为兆帕(MPa);

　　Pmax ——失效前的最大载荷，单位为牛顿(N)。

　　9.3 极限挤压强度

　　按照式(12)计算极限挤压强度。记录结果取三位有效数字。

　　σbru = (kD × Pmax )/(D× h)………………………………………(12)

　　式中：

　　h ——试样厚度，单位为毫米(mm);

　　σbru ——极限挤压强度，单位为兆帕(MPa);

　　Pmax ——破坏前的最大载荷，单位为牛顿(N)。

　　9.4 挤压应变

　　挤压应变用式(13)计算，结果取三位有效数字。

　　εbr = ……………………………………………(13)

　　式中：

　　εbr——挤压应变;

　　δ1 ——1# 引伸计的位移，单位为毫米(mm);

　　δ2 ——2# 引伸计的位移，单位为毫米(mm)。

　　9.5 统计

　　按照 GB/T 1446 中对于每一组试验，计算每一组试验挤压/旁路载荷比例，极限旁路强度、挤压强度、挤压应变、等试验结果的平均值、标准差和离散系数。

　　10 试验报告

　　试验报告一般包括下列内容：

　　a) 试验项目名称、执行标准和方法。

　　b) 试验人员、试验时间和地点。

　　c) 试样来源及制备情况，材料品种及规格。

　　d) 试样编号、形状和尺寸、外观质量及数量。

　　e) 试验温度、相对湿度、试样状态调节参数和结果。

　　f) 试验设备及仪器的型号、规格及计量情况。

　　g) 螺栓的拧紧力矩。

　　h) 试验机型号、夹头、夹持力、数据采集系统与设备型号。

　　i) 状态调节参数及结果。

　　j) 实验室的相对湿度与温度。

　　k) 试验速率。

　　l) 每个试样的应力-应变曲线。

　　m) 每个试样的挤压强度值以及母体的平均值、标准差与离散系数(以百分数表示)。如果破坏载

　　荷低于破坏前的最大载荷，应注明。

　　n) 每个试样的挤压应变及母体的平均值、标准差和离散系数。

　　o) 每个试件的挤压/旁路载荷比例及母体的平均值、标准差和离散系数。

　　p) 每个试样的极限旁路强度及母体的平均值、标准差和离散系数。

　　q) 计算挤压强度及挤压应变。

　　r) 每个试样的失效模式和失效位置。