【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料力学性能测试领域，涉及一种三维机织复合材料的组分之间(纤维束/纤维束或纤维束/基体)的界面力学性能测试方法，具体涉及一种通过试验与仿真相结合，获取三维机织复合材料原位界面的二型断裂韧性的方法。
技术介绍
1、近年来，纤维增强复合材料由于其优异的比模量、比强度等力学性能，被广泛应用于航空航天、船舶、汽车以及运动等各个领域。相比于传统的铺层复合材料，三维机织复合材料具有更好的抗分层和抗冲击性能，具有广阔的应用前景。而三维机织复合材料预制体的空间结构复杂多样，也使材料整体呈现出多样的力学性能。大量的试验研究表明，三维机织复合材料内，组分材料之间的界面脱粘是核心的失效模式，显著地影响着材料的许用载荷和损伤机理。因此，如何获取三维机织复合材料的界面力学性能对材料整体性能的评价具有重要意义。
2、由于三维机织复合材料的新颖性，适用于传统铺层复合材料层间性能测试的试验方法不再适用于三维机织复合材料。有研究表明传统的二型断裂韧性测试方法会使三维机织复合材料波动的纱线断裂，导致测量结果偏高十倍以上。三维机织复合材料的界面结构十分复杂，并且尺寸很小，对试验件的设计带来了很大的困难。常规尺寸的试件无法提取出独立的界面结构，因此不适用于界面力学性能测试。采用小尺寸的试验件可以提取出独立的界面结构，但是试件的位置选择以及试件的加工精度均需要仔细研究。这些工作为界面力学性能测试带来了很大的难度，因而目前尚未有研究提出三维机织复合材料界面的二型断裂韧性获取方法。然而这一参数对材料的性能评价，以及有关三维机织复合材料的仿真研究
技术实现思路
1、鉴于获取三维机织复合材料界面的二型断裂韧性的方法领域目前尚处于空白状态，本专利技术为了填补这一研究领域的空白，提供了一种获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法。该方法中，原位的意义是原位取材，直接在复合材料板上加工试件，界面指组分材料之间，即纤维束/纤维束界面或纤维束/基体界面。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，所述三维机织复合材料的内部纱线编织结构包括经纱与纬纱，两种纱线之间存在空间互锁，经纱波动方向为复合材料板局部坐标系的1方向，纬纱波动方向为复合材料板局部坐标系的2方向，厚度方向为复合材料板局部坐标系的3方向，包括如下步骤：
4、步骤1：设计小尺寸的偏轴压缩试验件，在规定的位置处切割一条预制的裂纹，试件的切割位置根据材料内纤维束的波动结构确定，具体步骤如下：
5、步骤1-1：在三维机织复合材料板中，在方向1与方向3组成的平面中找到纬纱截面，根据纬纱截面位置切割一个不超过纬纱截面宽度的薄板；
6、步骤1-2：去除薄板后，在薄板上切割出偏轴压缩试件，试件一端制出一个预制裂纹，预制裂纹须沿材料截面切割；
7、步骤2：根据试件结构建立高保真的有限元模型，具体步骤如下：
8、步骤2-1：拍摄试件表面的照片，获取试件表面的几何信息；
9、步骤2-2：根据试件表面的几何信息，建立还原试件结构的几何模型；
10、步骤2-3：对几何模型进行网格划分，并在预制裂纹相连的界面区域内使用虚拟裂纹闭合技术模拟裂纹的扩展过程；
11、步骤2-4：对纤维束、基体分别添加材料属性，对不同方向的经纱和纬纱分别修正其材料主方向，以确保有限元模型的准确性；
12、步骤3：根据试验中裂纹的起裂载荷，与有限元模型中裂纹的起裂载荷对比，得出试件界面的二型断裂韧性，具体步骤如下：
13、步骤3-1：获取试件预制裂纹尖端附近的应变和位移信息；
14、步骤3-2：将压缩夹具与试件装配，并将装配好的压缩夹具和试件整体放在准静态试验机的压缩圆盘上；
15、步骤3-3：进行预载后，使用位移控制试验机开始压缩试验，直至观察到试件表面出现明显的裂纹扩展，用准静态试验机输出试验过程中的载荷、位移和时间等信息；
16、步骤3-4：观察试件表面的裂纹扩展情况，记录裂纹起裂的时间；
17、步骤3-5：根据记录下的裂纹起裂的时间，结合准静态试验机输出的载荷-时间信息找到裂纹起裂所对应的压缩载荷；
18、步骤3-6：对有限元模型施加与试验件一致的边界条件，通过试件表面的位移场与有限元模型的位移场的对比，确定有限元模型的准确性；
19、步骤3-7：验证有限元模型的准确性后，调整虚拟裂纹闭合技术中界面的二型断裂韧性值，对比有限元模型中裂纹起裂的载荷与试验观察到的裂纹起裂载荷；
20、步骤3-8：当有限元模型的结果与试验结果相接近(偏差在1％以内)，此时有限元模型中输入的界面二型断裂韧性即为三维机织复合材料界面的二型断裂韧性。
21、相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
22、1、本专利技术提出的试件的切割位置和尺寸设计，使试件内具有独立简单的界面结构，有利于对界面力学性能的测试。
23、2、试件末端的切口位置和长度，能够保证二型裂纹沿试件界面的稳定扩展。
24、3、试件尺寸小且结构简单，有利于高保真全尺寸有限元模型的建立，提高了建模效率和精度。
25、4、试验与仿真相结合，有利于获取更准确的界面二型断裂韧性。
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1.一种获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，其特征在于所述三维机织复合材料的内部纱线编织结构包括经纱与纬纱，两种纱线之间存在空间互锁，经纱波动方向为复合材料板局部坐标系的1方向，纬纱波动方向为复合材料板局部坐标系的2方向，厚度方向为复合材料板局部坐标系的3方向，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，其特征在于所述步骤3-1中，对试件表面喷涂散斑，使用数字图像相关技术或使用裂纹计，获取预制裂纹尖端附近的应变和位移信息。
3.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，其特征在于所述步骤3-2中，压缩夹具包括夹具主体、盖板和圆柱导轨，夹具主体由上夹具、下夹具两部分构成，上夹具和下夹具之间通过两根圆柱导轨进行连接，夹具主体与盖板之间通过螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，其特征在于所述步骤3-8中，有限元模型的结果与试验结果偏差在1％以内。
【技术特征摘要】
1.一种获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，其特征在于所述三维机织复合材料的内部纱线编织结构包括经纱与纬纱，两种纱线之间存在空间互锁，经纱波动方向为复合材料板局部坐标系的1方向，纬纱波动方向为复合材料板局部坐标系的2方向，厚度方向为复合材料板局部坐标系的3方向，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料原位界面二型断裂韧性的方法，其特征在于所述步骤3-1中，对试件表面喷涂散斑，使用数字图像相关技术或使用裂纹计，获...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄金钊，果立成，宗庆松，高云鹏，黄凯，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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