1 范围
本文件规定了霍普金森杆法测定碳纤维增强复合材料在高加载速率下Ⅰ型层间断裂韧性的原理、仪器设备和材料、试样、试验条件、试验步骤、结果计算和试验报告本文件适用于测定在1 m/s~50 m/s加载速率范围内发生Ⅰ型层间断裂的碳纤维增强复合材料临界能量释放率。
2 规范性引用文件
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GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则
GB/T 13992 金属粘贴式电阻应变计
GB/T 27797.1 纤维增强塑料 试验板制备方法 第1部分:通则
GB/T 40724—2021 碳纤维及其复合材料术语
3 术语和定义
GB/T 40724—2021界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1 Ⅰ型层间断裂韧性 modeⅠinterlaminar fracture toughness
Ⅰ型临界应变能释放率 modeⅠcritical strain energy release rate
GIC
在Ⅰ型张开型载荷作用下,分层裂纹起始扩展时应变能释放率的临界值
注:Ⅰ型层间断裂韧性以焦耳每平方米(J/m
2
)为单位。
[来源:GB/T 40724—2021,6.79]
4 原理
采用可实现单轴双向加载的霍普金森杆对一端带有预制裂纹的试样两端同步施加对称的高加载速率载荷(见图1),使试样在 σ 正应力(z-x 平面上 z 方向的正应力)作用下产生高速分层扩展,获取试样两端的加载位移历程和分层起始时间,结合实验-数值混合法,确定碳纤维增强复合材料高加载速率下Ⅰ型层间断裂韧性。
标引序号说明:
1 ———预制裂纹段;
2 ———预制裂纹;
3 ——— 试样;
———施加在试样上的载荷
图 1 原理示意图
5 仪器设备和材料
5.1 试验仪器
5.1.1 基本要求
单轴双向电磁霍普金森杆或者能够实现单轴双向加载的霍普金森杆设备,如图2所示。单轴双向电磁霍普金森杆试验系统主要由两套完全一致的驱动装置、入射杆、应变计和数据采集仪组成。推荐驱动装置的最高电容和最高电压应分别不小于6 mF和2000 V,并且可调控电容和电压以实现1 m/s~ 50 m/s范围的加载速率。通过驱动装置对入射杆施加驱动力使得两根入射杆可实现同步双向移动,入射杆1和入射杆2的开始加载时间相差应不超过20
μs
,以确定良好的同步性。
标引序号说明:
1、11———驱动装置;
2、9 ———入射杆;
3、10———应变计;
4、8 ———加载端;
5、7 ———加载块;
6 试样;
12 ——— 数据采集仪。
图 2 单轴双向霍普金森杆试验系统示意图
5.1.2 应变计
应变计的作用是采集加载过程中两根入射杆上的脉冲信号。应变计一般采用箔式电阻应变计,应变计的敏感栅体标长应小于5 mm。如果应变信号较弱,应选用灵敏度系数更高的半导体应变计。
两根入射杆的应变计应粘贴在相同的位置(图2中3和10)。每根入射杆应在特定位置按轴线中心对称粘贴两片,粘贴位置距离试样接触端应为杆长的一半,两应变计轴向相对位置差应小于0.1 mm。应变计应沿轴向粘贴在入射杆上,即敏感栅和杆轴向平行。粘贴应符合 GB/T 13992的规定
5.1.3 数据采集仪
用于测试和记录试验过程中入射杆上的入射波、反射波信号。数据采集仪应具有足够高的频响功能,典型的频响功能应不低于500 kHz。
5.2 加载块
加载块用于对试样加载,其与试样连接示意图如图3所示。加载块宽度至少应与试样宽度一致为了消除高加载速率下惯性效应的影响,加载块的长度在保证有效粘接面积(加载块与试样表面之间不脱粘)的情况下不宜过大,推荐加载块长度 L1 不超过预制裂纹长度的1/4。加载块插销孔应在 L2 的中点处。加载块的材质应确保在其加载过程中不变形,推荐采用钛合金或铝合金材质。
标引序号说明:
L 试样长度;
L1 加载块长度;
L2 插销孔中心到加载块边缘的距离;
B ——— 试样宽度;
2h ———试样厚度;
a0 预制裂纹长度。
图 3 加载块与试样连接示意图
5.3 断裂栅和高速摄像机
断裂栅和高速摄像机的目的是监测分层起始时间和裂纹扩展过程,至少采用断裂栅和高速摄像机的其中一种方法,推荐同时采用两种方法。断裂栅由等间距分布的若干丝栅组成(丝栅间距应不低于1 mm),丝栅的断裂与否应能够通过断裂栅的阻值变化进行反映。高速摄像机的帧率应不低于 105
帧/s,通过对高速摄像机拍摄的照片进行图像处理可得到分层起始时间和裂纹扩展过程。
5.4 测量仪器
游标卡尺,精度不低于0.01 mm。
5.5 辅助材料
5.5.1 干燥剂:用于存放状态调节后的试样,推荐硅胶或者无水氯化钙。
5.5.2 胶黏剂:用于加载块的粘接,推荐室温固化的胶黏剂,如双组分环氧树脂胶
5.5.3 白色油漆:宜选用白色脆性喷漆。
6 试样
6.1 试样尺寸
试样总长度宜为80 mm±1 mm,宽度宜为15 mm±0.5 mm,厚度宜为3 mm~4 mm,预制裂纹长度宜为 30 mm ± 0.5 mm ,试样如图 4 所示。也可选择总长度在 70 mm~120 mm 之间、宽度在15 mm~20 mm 之间、预制裂纹长度在30 mm~40 mm 之间的试样。
单位为毫米
标引序号说明:
1———预制裂纹尖端;
2———预制裂纹。
图 4 试样示意图
6.2 试样制备
试样为[0] 的单向层合板,铺层数量应为偶数。预制裂纹位于试样厚度方向的中面,预制裂纹长度宜为 30 mm±0.5 mm ,预制裂纹薄膜的厚度不应超过13
μm
。碳纤维增强复合材料固化温度若不高于200 ℃宜使用聚四氟乙烯薄膜,若高于200 ℃宜使用聚酰亚胺薄膜。试样制备应符合 GB/T 27797.1的规定。从试板上切割试样时,应确保试样的长度方向为0方向。
6.3 试样数量
每组试样的数量应不少于5个。
7 试验条件
7.1 试验环境
应符合 GB/T 1446的规定。
7.2 试样状态调节
试验前,试样在实验室标准环境条件下放置不少于24 h或者按照双方商定的环境条件进行状态调节。
8 试验步骤
8.1 试验前准备
试验前准备要求如下:
a) 对每个试样编号,按 GB/T 1446的规定检查试样外观;
b) 按7.2的规定对试样进行状态调节;
c) 用游标卡尺测量试样的长度、未预制分层区域3个位置的试样宽度 B 和试样厚度2h,精确到0.01 mm,并取3次测量的算术平均值;
d) 正式试验前,应预先确定电磁霍普金森杆驱动装置的相关加载参数(电容和电压),并按公式(1)计算试验所需的目标加载速率;
e) 为了建立有限元模型从而确定层间断裂韧性,应获取所测碳纤维复合材料试样在3个方向的弹性模量、剪切模量和泊松比共计9个材料参数以及加载块的弹性模量和泊松比参数,可从供货商获取或者自行测定
8.2 试样安装和加载步骤
试样安装和加载步骤如下:
a) 在试样一个侧面喷涂白色油漆;
b) 油漆风干后,在该侧面预制裂纹处画标记线;将断裂栅粘贴在无白色油漆的侧面,断裂栅的第一根丝栅应粘贴在预制裂纹处(即嵌入物薄膜的尖端);
c) 采用胶黏剂将加载块粘接到试样的上下表面,如图3所示,并按照胶黏剂供应商推荐的固化时间使其固化完全;
d) 按照图2将试样安装到电磁霍普金森杆上;对于加载块,应将电磁霍普金森杆两端的连接位置对齐;若采用高速摄像机,拍摄角度应正对有标记线的侧面;
e) 将数据采集仪和高速摄像机或断裂栅及其他霍普金森杆相关设备置于待触发状态;
f) 按照目标加载速率,设定驱动装置的电容/电压参数,启动驱动装置对试样两端同时进行高速率加载;
g) 记录数据采集仪的波形试验数据,对试验数据进行处理,保存断裂栅数据和高速摄像机数据;
h) 结合断裂栅的电压信号变化和高速摄像机来确定分层起始时间;
i) 重复a)~h)至少进行5个试样试验。
8.3 试验结果有效性判断
试验结果有效性判断要求如下。
a) 通过高速摄像判断是否出现加载块与试样之间的脱粘情况;若在裂纹起裂以及扩展过程中,加载块与试样之间脱粘,试验结果无效,应补充试样重新进行试验。
b) 试样分层扩展仅从预制裂纹尖端沿厚度中面扩展的破坏模式为有效破坏模式;若观测到分层偏离了层合板的中面,试验结果无效,应补充试样重新进行试验。
c) 对同一试验条件下的一组试验结果应根据离散系数(标准差与平均值的比值)判断有效性。当离散系数不大于15%或者在双方协商的允许范围时,该组试验结果的离散性满足要求;当离散系数大于15%或者不在双方协商的允许范围时,不宜直接作为有效试验结果使用
9 结果计算
9.1 加载速率
通过数据采集仪采集到的霍普金森杆上的应变脉冲信号,试验得到的典型波形见附录 A。基于一维应力波理论,按照公式(1)获得两根入射杆加载端的加载速率:
V(t) = - C0 [ εiprime (t) - εrprime (t) ](1)
式中:
V(t) 入射杆在加载端的加载速率,单位为米每秒 (m/s) ;
C0 弹性纵波波阵面的传播速度,单位为米每秒 (m/s) ;
εiprime(t) 经过移波的入射杆的入射波的应变脉冲信号;
εrprime(t) 经过移波的入射杆的反射波的应变脉冲信号。
通过公式(1)可分别计算得到入射杆1和入射杆2两个加载端的加载速率,双悬臂梁(DCB)试样所受到的加载速率是两个加载速率之和。
9.2 加载位移
通过公式(1)获得两根入射杆加载端的加载速率,对加载速率关于时间求积分可得到两根入射杆加载端的加载位移历程,见公式(2):
u(t) = - C0 ∫ [ εiprime (t) - εrprime (t) ] d t(2)
式中:
()———入射杆在加载端的加载位移,单位为米(m)。
通过公式(2)可分别计算得到入射杆1和入射杆2两个加载端的加载位移历程,DCB试样所受到的加载位移是两个加载位移之和。
9.3 Ⅰ型层间断裂韧性
推荐采用实验-数值混合法来确定高加载速率下试样的Ⅰ型层间断裂韧性。首先建立与真实试样尺寸一致的二维有限元模型,建模方法可参考附录 B,将试验中得到的张开位移随时间历程作为有限元模型的边界条件,然后通过数值模拟即可得到动态加载过程中裂纹尖端的位移场和应力场。同时,为保证裂纹尖端应力场的准确判断以及能量释放率计算的收敛性,裂纹尖端周围单元格尺寸应细化并做网格敏感性分析,裂纹尖端网格尺寸宜为 2mum ∼100 mum 并满足有限元计算的收敛性原则,有限元模型如图5所示。
标引序号说明:
u1(t) 、 u2(t) ———入射杆1和入射杆2在加载端的加载位移;
yA 、 yB 局部坐标系下的裂纹尖端前节点 A 和 B 的法向位移;
Fy 局部坐标系下的裂纹尖端的反作用力;
Deltaa 裂纹尖端单元尺寸
图 5 高加载速率下的 DCB有限元模型
基于数值模拟得到的有限元响应,输出裂纹尖端单元的节点内力和裂纹面的张开位移,进而采用虚拟裂纹闭合法计算得到试样高加载速率下Ⅰ型能量释放率,见公式(3):
GI = 1/(2b Deltaa) Fy (yA - yB) (3)
GI Ⅰ型能量释放率,单位为焦耳每平方米 (J/m2)
b 模型宽度(二维模型应取1),单位为米(m);
Deltaa 裂纹尖端单元尺寸,单位为米(m);
Fy 局部坐标系下的裂纹尖端的反作用力,单位为牛顿(N);
yA 、 yB 局部坐标系下的裂纹尖端前节点 A 和 B 的法向位移,单位为米 (m)
由于输入的边界条件是加载位移-加载时间历程,因此通过公式(3)可得到能量释放率-加载时间曲线,通过确定的分层起始时间可得到高加载速率下的临界能量释放率,即Ⅰ型层间断裂韧性。
10 试验报告
试验报告应包括但不限于以下内容:
a) 试验项目名称、本文件编号;
b) 试验时间及人员;
c) 试样来源及制备情况,材料品种及规格;
d) 状态调节和试验环境;
e) 试样编号、尺寸及数量等;
f) 试验设备及仪器的型号、规格;
g) 每个试样的加载速率、加载位移历程、分层起始时间和断裂韧性的计算结果;
h) 每组试样断裂韧性的平均值、标准差与离散系数;
i) 任何操作细节和可能影响试验结果的情况。
附录 A (资料性)
数据处理后的典型波形
本附录给出了采用单轴双向电磁霍普金森杆测试高加载速率下碳纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的典型波形以及同步性要求。对于霍普金森杆上采集到的入射杆1和入射杆2上原始波形,经过移波归零后典型应力波波形如图 A.1所示。根据一维应力波理论,入射波起始和反射波起始的中间时刻为应力波对试样开始加载的时间,图 A.1给出了入射杆1和入射杆2的开始加载时间,通过入射杆1和入射杆2的开始加载时间的相差可判断加载同步性
附录 B (资料性)
DCB有限元建模方法
高加载速率下的 DCB模型均采用有限元软件建立。模型包含 DCB试样和加载块两部分以模拟实际试验工况,模型尺寸和真实的试样尺寸保持一致。采用的单元类型为平面应变单元,其积分类型为减缩积分。同时为了考虑应力梯度并提高结果收敛性,对 DCB 模型裂纹尖端区域的网格进行细化处理,裂纹尖端的细网格单元尺寸宜为 2 μm~100 μm 。模型中的加载块设置为各向同性的线弹性实体,其材料参数应输入真实的材料属性。复合材料层合板为各向异性,材料参数应输入真实的材料属性。
加载块与 DCB试样之间为绑定连接。考虑到加载块几乎不变形,因此为加载块设置刚体约束,并在上下两个加载块的销钉孔中心分别设置刚体约束参考点(参考点1和参考点2),位移加载和边界约束也通过参考点进行设置。对于边界条件的设置,上下侧参考点约束沿 z 轴、x 轴平移自由度以及绕 x轴、y 轴旋转自由度,放开沿 y 轴平移以及绕 z 轴旋转自由度。对于位移加载的设置,同时将高加载速率下试验得到的 DCB试样两端的加载位移-加载时间曲线分别施加在两个参考点上从而对模型进行加载。采用显式求解器进行计算。基于有限元响应提取裂纹尖端处的节点力和节点相对位移随加载时间变化的曲线,并通过公式(3)计算得到能量释放率-加载时间曲线,如图 B.1所示,结合分层起始时间即可确定临界能量释放率,也就是Ⅰ型层间断裂韧性
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