一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法与流程

1.本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法。


背景技术：

2.碳纤维复合材料是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90％的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。本构模型，又称材料的力学本构方程，或材料的应力-应变模型，是描述材料的力学特性的数学表达式。
3.碳纤维复合材料层板的力学特性需要研究，因此需要一种碳纤维复合材料层板本构模型。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，旨在测试构建一种碳纤维复合材料层板本构模型。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，具体步骤包括：
6.s1利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据；
7.s2针对0度碳纤维层板拉伸试验数据，计算0度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到0度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到0度到90度方向泊松比；
8.s3针对90度碳纤维层板拉伸试验数据，计算90度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到90度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到90度到0度方向泊松比；
9.s4针对45度碳纤维层板拉伸试验数据，计算剪切模量并平均得到0度到90度方向剪切模量；
10.s5最终根据计算得到复合材料层板本构模型。
11.其中，所述测试系统包括底座、左l板、右l板、左球铰、左夹具、位移传感器、液压伺服直线缸、力传感器、右球铰、右夹具、引伸计、第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片；
12.所述左l板固定设置在所述底座上；所述右l板固定设置在所述底座上；所述左球铰设置在所述左l板一侧；所述左夹具设置在所述左球铰一侧；所述位移传感器设置在所述右l板一侧；所述液压伺服直线缸设置在所述位移传感器一侧；所述力传感器设置在所述液压伺服直线缸一侧；所述右球铰设置在所述力传感器一侧；所述右夹具设置在所述右球铰一侧；所述引伸计放置于所述底座侧边；所述第一应变片、所述第二应变片、所述第三应变片、所述第四应变片、所述第五应变片和所述第六应变片均放置于所述底座侧边。
13.其中，所述利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据，具体步骤包括：
14.s11用0度碳纤维材料做成材料试件；
15.s12在材料试件的正面中间位置粘贴所述第一应变片和所述第二应变片，并且所述第一应变片和所述第二应变片相互垂直，粘贴的位置标记为第一位置；
16.s13在在材料试件的反面中间对称位置分别粘贴所述第三应变片、所述第四应变片、所述第五应变片和所述第六应变片；所述第三应变片和所述第四应变片相互垂直，粘贴的位置标记为第二位置；所述第五应变片和所述第六应变片相互垂直，粘贴的位置标记为第三位置；
17.s14将材料试件分别用所述左夹具和所述右夹具夹持住，并在材料试件上安装引伸计，分别用2mm/min和4mm/min的速度进行拉伸，测得0度碳纤维材料的拉伸实验数据，并绘制应力-应变曲线；
18.s15依次将采用45度碳纤维材料做成的材料试件和采用90度碳纤维材料做成的材料试件，重复s12-s14的步骤，依次测得45度碳纤维材料和90度碳纤维材料的拉伸实验数据，并相应绘制应力-应变曲线。
19.本发明的一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，具体步骤包括：
20.s1利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据；s2针对0度碳纤维层板拉伸试验数据，计算0度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到0度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到0度到90度方向泊松比；s3针对90度碳纤维层板拉伸试验数据，计算90度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到90度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到90度到0度方向泊松比；s4针对45度碳纤维层板拉伸试验数据，计算剪切模量并平均得到0度到90度方向剪切模量；s5最终根据计算得到复合材料层板本构模型。从而测试构建得一种碳纤维复合材料层板本构模型。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
22.图1是本发明的一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法的流程图。
23.图2是本发明的利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据的流程图。
24.图3是本发明的测试系统的结构示意图。
25.图4是本发明的材料试件的示意图。
26.图5是本发明的第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片粘贴在材料试件上的示意图。
27.图6是本发明的第一应变片和第二应变片粘贴在材料试件上的示意图。
28.图7是本发明的引伸计安装在材料试件上的示意图。
29.图8是0
°
碳纤维应力-应变曲线。
30.图9是45
°
碳纤维应力-应变曲线。
31.图10是90
°
碳纤维应力-应变曲线。
32.1-底座、2-左l板、3-右l板、4-左球铰、5-左夹具、6-位移传感器、7-液压伺服直线缸、8-力传感器、9-右球铰、10-右夹具、11-引伸计、12-第一应变片、13-第二应变片、14-第
三应变片、15-第四应变片、16-第五应变片、17-第六应变片、18-材料试件。
具体实施方式
33.请参阅图1-图10，其中，图1是本发明的一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法的流程图。图2是本发明的利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据的流程图。图3是本发明的测试系统的结构示意图。图4是本发明的材料试件的示意图。图5是本发明的第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片粘贴在材料试件上的示意图。图6是本发明的第一应变片和第二应变片粘贴在材料试件上的示意图。图7是本发明的引伸计安装在材料试件上的示意图。图8是0
°
碳纤维应力-应变曲线。图9是45
°
碳纤维应力-应变曲线。图10是90
°
碳纤维应力-应变曲线。
34.本发明提供一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，具体步骤包括：
35.s1利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据；
36.s11用0度碳纤维材料做成材料试件18；
37.材料试件18的中间标距段细长两端夹持部位较宽，以确保在拉伸过程中试样的中央位置首先发生塑性变形，确保断裂位置发生在标距段内从而为测试提供准确的数据。试件总长为180mm，夹持端的宽为30mm，试件标距长为55mm，标距范围内宽为10mm。考虑到仅靠摩擦可能不足以提供试件拉伸断裂所需的力，因此在试件上钻孔，螺栓穿过小孔提供额为轴向力，如图4所示。
38.s12在材料试件18的正面中间位置粘贴所述第一应变片12和所述第二应变片13，并且所述第一应变片12和所述第二应变片13相互垂直，粘贴的位置标记为第一位置；
39.如图6所示。
40.s13在材料试件18的反面中间对称位置分别粘贴所述第三应变片14、所述第四应变片15、所述第五应变片16和所述第六应变片17；所述第三应变片14和所述第四应变片15相互垂直，粘贴的位置标记为第二位置；所述第五应变片16和所述第六应变片17相互垂直，粘贴的位置标记为第三位置；
41.如图5所示。
42.s14将材料试件18分别用所述左夹具5和所述右夹具10夹持住，并在材料试件18上安装引伸计11，分别用2mm/min和4mm/min的速度进行拉伸，测得0度碳纤维材料的拉伸实验数据，并绘制应力-应变曲线；
43.如图3、图7所示；在安装时，材料试件18的上下左右对称面的交线在液压伺服直线缸轴线上，保证初始安装状态下试件不受拉压、弯曲和扭转等载荷。安装好引伸计11，将所有信号连接到同一套数采进行同步采集；分别用2mm/min和4mm/min速度进行拉伸，按式(1)-(4)计算材料标距段的应力应变，然后绘制应力-应变曲线。
44.材料拉伸工程应力σg，工程应变εg计算公式如式(1)和式(2)所示：
[0045][0046][0047]
式中f为材料受到的沿拉伸方向的拉力,即液压伺服直线缸的拉伸力，b和d分别为试件标距宽度和厚度，δl为试样标距l0内的伸长量，即引伸计11的伸长量。真实应力应变
按式(3)，(4)计算。
[0048]
σ
t
＝(1+εg)σgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0049]
ε
t
＝ln（1+εg)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0050]
s15依次将采用45度碳纤维材料做成的材料试件18和采用90度碳纤维材料做成的材料试件18，重复s12-s14的步骤，依次测得45度碳纤维材料和90度碳纤维材料的拉伸实验数据，并相应绘制应力-应变曲线。
[0051]
如图8-图10所示。
[0052]
s2针对0度碳纤维层板拉伸试验数据，计算0度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到0度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到0度到90度方向泊松比；
[0053]
s3针对90度碳纤维层板拉伸试验数据，计算90度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到90度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到90度到0度方向泊松比；
[0054]
s4针对45度碳纤维层板拉伸试验数据，计算剪切模量并平均得到0度到90度方向剪切模量；
[0055]
s5最终根据计算得到复合材料层板本构模型。
[0056]
弹性模量e、泊松比μ计算公式如式(5)和式(6)所示：
[0057][0058][0059]
式中，ε1、ε2分别为沿着材料试件18拉伸方向应变和拉伸垂直方向3个位置应变平均值。
[0060][0061][0062]
ε
s1
、ε
s3
、ε
s5
为第一位置、第二位置、第三位置沿拉伸方向的应变，ε
s2
、ε
s4
、ε
s6
为第一位置、第二位置、第三位置垂直拉伸方向的应变。
[0063]
材料面内剪切模量g
12
计算如式(7)所示：
[0064][0065]
由于角度不同碳纤维拉伸应力-应变曲线不同，0
°
与90
°
碳纤维拉伸试验应力-应变曲线表现出线弹性力学特点，应力与应变呈线性关系，随着试件被拉伸材料应变与逐渐增大，当应力达到峰值后应力立即下降到0，表现出脆性断裂的特点；45
°
碳纤维切应力-切应变曲线先是呈线性，当超过某一数值后应力-应变曲线呈非线性，这与碳纤维材料剪切非线性的特性有关，当切应力未达到基体开裂对应的切应力时，切应力与切应变呈线性关系。
[0066]
碳纤维材料沿着纤维方向和垂直纤维方向的弹性模量不同，碳纤维由多层不同方
向纤维层堆叠而成，使得碳纤维具有各向异性和不均匀性，其本构关系非常复杂，也难以准确获取。
[0067]
复合材料层板宏观力学分析中，多采用多层壳单元建模方法，壳单元的厚度小于其他方向尺寸，忽略厚度方向的应力变化，将3维正交各向异性简化为2维正交各向异性材料，纤维方向为0
°
方向，垂直于纤维方向为90
°
方向，其本构关系如式(8)所示。
[0068][0069]
式中，v
0-0
为纤维方向即0
°
碳纤维拉伸方向应力，σ
90-90
为垂直于纤维方向即90
°
碳纤维拉伸方向应力，τ
0-90
为剪切应力，ε
0-0
为纤维方向即0
°
碳纤维拉伸方向应变，ε
90-90
为垂直于纤维方向即90
°
碳纤维拉伸方向应变，γ
0-90
为剪切应变，c
0-0
为0
°
方向线性刚度，用式(9)计算，c
90-90
为90
°
方向线性刚度，用式(10)计算，c
0-90
为0
°
到90
°
方向线性刚度，用式(11)计算，c
90-0
为90
°
到0
°
方向线性刚度，用式(12)计算。g
0-90
为剪切刚度，按式(7)计算。
[0070][0071][0072][0073][0074]
针对0
°
碳纤维层板拉伸试验数据，根据式(5)计算0度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到e
0-0
，然后根据式(6)得到泊松比，并取两次试验平均值得到μ
0-90
。
[0075]
针对90
°
碳纤维层板拉伸试验数据，根据式(5)计算90度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到e
90-90
，然后根据式(6)得到泊松比，并取两次试验平均值得到μ
90-0
。
[0076]
针对45
°
碳纤维层板拉伸试验数据，选图9中取线性段按式(7)计算剪切模量并平均得到g
0-90
。
[0077]
最终得到复合材料层板本构模型。
[0078][0079]
进一步的，所述测试系统包括底座1、左l板2、右l板3、左球铰4、左夹具5、位移传感器6、液压伺服直线缸7、力传感器8、右球铰9、右夹具10、引伸计11、第一应变片12、第二应变片13、第三应变片14、第四应变片15、第五应变片16和第六应变片17；
[0080]
所述左l板2固定设置在所述底座1上；所述右l板3固定设置在所述底座1上；所述左球铰4设置在所述左l板2一侧；所述左夹具5设置在所述左球铰4一侧；所述位移传感器6设置在所述右l板3一侧；所述液压伺服直线缸7设置在所述位移传感器6一侧；所述力传感器8设置在所述液压伺服直线缸7一侧；所述右球铰9设置在所述力传感器8一侧；所述右夹具10设置在所述右球铰9一侧；所述引伸计11放置于所述底座1侧边；所述第一应变片12、所述第二应变片13、所述第三应变片14、所述第四应变片15、所述第五应变片16和所述第六应
变片17均放置于所述底座1侧边。
[0081]
在本实施方式中，所述左夹具5配合所述右夹具10夹持住材料试件18，所述液压伺服直线缸7提供拉力，所述力传感器8测量拉力，所述引伸计11测量材料时间标距端的伸长量，在材料试件18的正面中间位置粘贴所述第一应变片12和所述第二应变片13，并且所述第一应变片12和所述第二应变片13相互垂直，在材料试件18的反面中间对称位置分别粘贴所述第三应变片14、所述第四应变片15、所述第五应变片16和所述第六应变片17；所述第三应变片14和所述第四应变片15相互垂直；所述第五应变片16和所述第六应变片17相互垂直。
[0082]
以上所揭露的仅为本技术一种或多种较佳实施例而已，不能以此来限定本技术之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本技术权利要求所作的等同变化，仍属于本技术所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，其特征在于，具体步骤包括：s1利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据；s2针对0度碳纤维层板拉伸试验数据，计算0度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到0度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到0度到90度方向泊松比；s3针对90度碳纤维层板拉伸试验数据，计算90度方向弹性模量，并取两次试验平均值得到90度方向弹性模量，然后根据计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到90度到0度方向泊松比；s4针对45度碳纤维层板拉伸试验数据，计算剪切模量并平均得到0度到90度方向剪切模量；s5最终根据计算得到复合材料层板本构模型。2.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，其特征在于，所述测试系统包括底座、左l板、右l板、左球铰、左夹具、位移传感器、液压伺服直线缸、力传感器、右球铰、右夹具、引伸计、第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片；所述左l板固定设置在所述底座上；所述右l板固定设置在所述底座上；所述左球铰设置在所述左l板一侧；所述左夹具设置在所述左球铰一侧；所述位移传感器设置在所述右l板一侧；所述液压伺服直线缸设置在所述位移传感器一侧；所述力传感器设置在所述液压伺服直线缸一侧；所述右球铰设置在所述力传感器一侧；所述右夹具设置在所述右球铰一侧；所述引伸计放置于所述底座侧边；所述第一应变片、所述第二应变片、所述第三应变片、所述第四应变片、所述第五应变片和所述第六应变片均放置于所述底座侧边。3.如权利要求2所述的一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，其特征在于，所述利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据，具体步骤包括：s11用0度碳纤维材料做成材料试件；s12在材料试件的正面中间位置粘贴所述第一应变片和所述第二应变片，并且所述第一应变片和所述第二应变片相互垂直，粘贴的位置标记为第一位置；s13在在材料试件的反面中间对称位置分别粘贴所述第三应变片、所述第四应变片、所述第五应变片和所述第六应变片；所述第三应变片和所述第四应变片相互垂直，粘贴的位置标记为第二位置；所述第五应变片和所述第六应变片相互垂直，粘贴的位置标记为第三位置；s14将材料试件分别用所述左夹具和所述右夹具夹持住，并在材料试件上安装引伸计，分别用2mm/min和4mm/min的速度进行拉伸，测得0度碳纤维材料的拉伸实验数据，并绘制应力-应变曲线；s15依次将采用45度碳纤维材料做成的材料试件和采用90度碳纤维材料做成的材料试件，重复s12-s14的步骤，依次测得45度碳纤维材料和90度碳纤维材料的拉伸实验数据，并相应绘制应力-应变曲线。

技术总结
本发明涉及测试技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料层板本构模型测试构建方法，包括：S1利用测试系统测得不同角度碳纤维拉伸实验数据；S2针对0度碳纤维层板拉伸试验数据，计算并取两次试验平均值得到0度方向弹性模量，计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到0度到90度方向泊松比；S3针对90度碳纤维层板拉伸试验数据，计算并取两次试验平均值得到90度方向弹性模量，计算得到泊松比，并取两次试验平均值得到90度到0度方向泊松比；S4针对45度碳纤维层板拉伸试验数据，计算剪切模量并平均得到0度到90度方向剪切模量；S5最终根据计算得到复合材料层板本构模型；从而测试构建得一种碳纤维复合材料层板本构模型。碳纤维复合材料层板本构模型。碳纤维复合材料层板本构模型。


技术研发人员：傅雷 胡秋洋 邹喜红 张更杰 李鹏飞 刘俚彤
受保护的技术使用者：重庆嘉陵全域机动车辆有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/20