高清可复制 HB 8623-2021 航空用聚合物基复合材料曲梁强度试验方法

　　ICS 49.025.99 V 15

　　HB 8623-2021

　　航空用聚合物基复合材料曲梁强度

　　试验方法

　　Test method for measuring the curved beam strength 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：熊华锋、沈 薇、杨胜春、谢佳卉、鲍盘盘、葛惟宏、李 磊。

　　航空用聚合物基复合材料曲梁强度

　　试验方法

　　1 范围

　　本标准规定了航空用聚合物基复合材料曲梁强度试验方法原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算和试验报告。

　　本标准适用于单向纤维或织物增强的复合材料曲梁强度的测定;采用单向铺层试样能得到层间拉伸强度。

　　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 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　曲梁强度 curved beam strength

　　作用试样弯曲段并引起施加载荷急剧下降或结构分层的单位宽度的力矩。

　　3.2

　　层间拉伸强度 interlaminar tensile strength

　　复合材料层合板面外(厚度)方向上的拉伸强度。

　　4 方法原理

　　采用四点弯曲的原理对试样进行加载，加载时由压缩载荷产生层合板面外(厚度方向)的拉伸应力，作用于试样的弯曲区域，导致试样的弯曲区域出现分层失效，示意图见图 1。

　　说明：

　　1——试样; dy ——加载棒垂直距离;

　　2——上压头; α ——水平轴与试样直边的夹角;

　　3——下压对; l0 ——上下加载棒轴线距离;

　　P ——载荷; lt ——上加载棒轴线距离;

　　Δ ——上、下压头相对距离; lb ——下加载棒轴线距离;

　　dx ——加载棒水平距离; D ——加载棒直径。

　　图 1 四点弯曲载荷下的曲梁

　　5 试验设备

　　5.1 总则

　　试验设备主要包括：试验机、环境箱、位移传感器和试验夹具。试验机、环境箱和位移传感器应经检定/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

　　环境箱应满足 GB/T 1446 中的要求，温度控制在±3℃, 相对湿度控制在±5%RH。

　　5.4 位移传感器

　　位移传感器的精度要求为 0.01mm。

　　5.5 试验夹具

　　曲梁强度试验夹具示意图见图 2。圆柱形加载棒直径推荐为(6～10)mm ，安装在滚柱轴承中，下压头两加载棒中心间的水平距离推荐为(100±2)mm ，上压头两加载棒中心间的水平距离推荐为(75±2)mm。

　　说明：

　　1——上支座;2——压棒;3——支座轴承;4——试样;5——下支座。

　　图 2 曲梁强度试验夹具示意图

　　6 试样

　　6.1 试样形状与尺寸

　　曲梁由带 90˚弯角相连的两条直边组成，其内侧半径推荐为 6.4mm。试样宽推荐为(25±1)mm，厚推荐为 2mm～12mm。试样受载直边长度最小应为 90mm。同时不能过长以免碰到夹具的底座。任何一件试样厚度的变化不能超过名义厚度的 5%，两条加载直边之间的夹角为(90±3)˚,试样几何尺寸见图3。

　　单位为毫米

　　图 3 曲梁试样示意图

　　6.2 铺层形式

　　曲梁强度试样：铺层可以使用任何铺层顺序。

　　层间拉伸强度试样：铺层形式为 [0]n ，n 为层数。进行层间强度筛选时，试件的厚度推荐为4.2mm ±2mm。

　　6.3 试样制备

　　试样制备按 GB/T 1446 中的要求进行。

　　试样在制备过程中，应采取相应的措施以避免由于不适当的加工方法而引起切口、沟槽、粗糙或不平的表面、或者分层，并通过水润滑的精确切割、铣削或磨削，得到最终尺寸。

　　6.4 试样数量

　　每组有效试样应不少于 5 件。

　　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;

　　d) 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;

　　d) 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

　　试验前准备主要包括：

　　a) 按 GB/T 1446 的规定检查试样外观，对每个试样编号;

　　b) 按 7.2 的规定对试样进行状态调节;

　　c) 在状态调节后，测量试样两条侧边不同位置的两个宽度和厚度，圆弧处 2 个厚度和夹角的角度，宽度和厚度测量精度不低于 0.02mm，角度测量精度不低于 1˚ ;

　　d) 可以在试样弯曲段的侧边涂上白色的脆性颜料，以便观察基体的开裂或分层。

　　8.2 试样安装

　　安装步骤如下：

　　a) 将四点弯曲夹具对中安装在试验机上;

　　b) 将试样放置在夹具加载棒的中心，试样的端面应平行于加载棒，且四个加载棒都能与试样在整个宽度范围内完全接触。

　　8.3 试验

　　试验步骤如下：

　　a) 以(1～2)mm/min 的加载速率对试样连续施加压缩载荷，连续记录载荷-位移曲线;

　　b) 随着载荷的增加，试样的弯曲段逐渐张开，观察试样弯曲段边缘分层的形成;

　　c) 载荷下降到最大载荷的 50%以下时停止试验;

　　d) 记录失效时最大载荷、最大位移和失效模式。

　　9 计算

　　9.1 曲梁强度

　　用首次载荷下降时(相对于初始分层)的最大载荷计算曲梁强度 FCBS，按公式(1)进行计算：

　　FCBS

　　式中：

　　FCBS ——试样的曲梁强度，单位为牛顿(N);

　　Pmax ——首次载荷下降时的最大载荷，单位为牛顿(N);

　　w ——试样直边的宽度，单位为毫米(mm);

　　α ——水平轴与试样直边中线的夹角，单位为度(˚);

　　δx ——两个邻近的上下加载棒中心线之间的水平距离，单位为毫米(mm);

　　D ——加载棒的直径，单位为毫米(mm);

　　h ——试样的厚度，单位为毫米(mm)。

　　9.2 水平轴与试样直边中线的夹角 α

　　由于 α 在加载过程中会发生很大的变化，应采用破坏时的 α 值进行曲梁强度的计算。为计算 α ,应

　　先计算加载棒之间的垂直距离 dy。

　　式中：

　　dy ——两个邻近的上下加载棒中心之间的垂直距离，单位为毫米(mm);

　　Δ ——四点弯曲夹具上下两部分之间的相对位移，单位为毫米(mm);

　　α0 ——加载过程中水平轴与试样直边的夹角，单位为度(˚)。

　　由位移传感器得到夹具上下支座之间的相对垂直位移 Δ。初始角度 α0 为加载前试样两个直边之间夹角的一半。对于给定的 dy 值可以通过三角函数计算出 α 的值。

　　α = sin

　　9.3 层间拉伸强度

　　曲梁在纯弯曲状态下的径向应力由公式(4)和公式(5)给出，层间拉伸强度定义为破坏时的最大径向应力 σr ，按公式(4)进行计算：

　　其中：

　　式中：

　　ri ——弯曲部分的内侧半径，单位为毫米(mm);

　　ro ——弯曲部分的外侧半径，单位为毫米(mm);

　　rm ——最大层间(径向)拉伸应力所处位置的半径，单位为毫米(mm);

　　Er ——径向的模量，单位为吉帕(GPa);

　　Eθ ——切向的模量，单位为吉帕(GPa)。

　　径向和切向模量(Er 和 Eθ)可以分别用单向层合板的 90˚和 0˚方向模量近似代替。

　　9.4 统计

　　对于每一组试验，按 GB/T 1446 中的规定，统计算术平均值、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) 试验机型号、夹头、数据采集系统与设备型号;

　　h) 实验室的相对湿度与温度;

　　i) 试验速率;

　　j) 试验照片或录像;

　　k) 试验时出现的异常情况;

　　l) 每个试样的载荷-位移曲线;

　　m) 每个试样的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);

　　n) 每件试样的破坏模式和破坏位置及其照片;

　　o) 每件试样的原始数据记录。