【摘要】：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在制備、加工到裝配、服役過(guò)程中,由于熱膨脹不匹配等原因會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)分層、裂紋等缺陷,這些缺陷往往使材料處于一定的應(yīng)力狀態(tài)。這些應(yīng)力狀態(tài)有些對(duì)結(jié)構(gòu)有益,而大多會(huì)使分層、裂紋等缺陷加劇進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的大幅下降,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分認(rèn)識(shí)有害的殘余應(yīng)力。精確快速地檢測(cè)復(fù)合材料所處的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和使用壽命至關(guān)重要。總結(jié)了有損和無(wú)損應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并通過(guò)分析不同檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)與不足,指出了今后碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力檢測(cè)研究工作的發(fā)展趨勢(shì)。
【圖文】：

ｂｒｕｇｇｅ等學(xué)者的發(fā)展，大大提高了方法的測(cè)量精度［４－６］。美國(guó)材料協(xié)會(huì)ＡＳＴＭ自１９８１年就頒布了“ＳｔａｎｄａｒｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓｅｓｂｙｔｈｅＨｏｌｅ－ＤｒｉｌｌｉｎｇＳｔｒａｉｎ－ＧａｇｅＭｅｔｈｏｄ”標(biāo)準(zhǔn)［７］（Ｅ８３７－８１），表明小孔法在殘余應(yīng)力測(cè)量中已達(dá)到技術(shù)上的成熟。目前，小孔法作為應(yīng)用最廣泛的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，在測(cè)試技術(shù)和理論計(jì)算上得到了深入的發(fā)展。小孔法測(cè)試的基本原理如圖１所示，通過(guò)在存在殘余應(yīng)力的薄板中鉆一個(gè)小孔，達(dá)到釋放應(yīng)力的目的。根據(jù)彈性力學(xué)原理和Ｋｉｒｓｃｈ理論解可以得到鉆孔后釋放的殘余應(yīng)力，再結(jié)合測(cè)得的小孔周邊應(yīng)變的釋放值，即可計(jì)算得到薄板所處的應(yīng)力狀態(tài)。圖１小孔法測(cè)試原理Ｆｉｇ．１Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｈｏｌｅ－ｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)小孔周邊應(yīng)變通常采用電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量，如圖１中所示按一定角度布置了３只應(yīng)變片。另外，隨著應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者將其他的應(yīng)變測(cè)量方法應(yīng)用到殘余應(yīng)力測(cè)試中。例如，Ｌｏｒｄ等［８］使用數(shù)字圖像相關(guān)（ＤＩＣ）方法、Ｚｈｕ等［９］使用云紋干涉法測(cè)量了由鉆孔引起的孔邊應(yīng)變釋放。對(duì)于各向異性的復(fù)合材料，由于材料本身各組分性能、含量以及鋪層方向不盡相同，其彈性模量和泊松比等性能在不同方向表現(xiàn)出明顯的差異，導(dǎo)致釋放應(yīng)力與應(yīng)變之間存在非常復(fù)雜的關(guān)系。Ｓｃｈａｊｅｒ和Ｙａｎｇ［１０］通過(guò)推導(dǎo)開(kāi)孔周邊位移場(chǎng)的解析解，得到了一種新的計(jì)算各向異性板中殘余應(yīng)力的方法。Ｖ．Ｓ．Ｐｉｓａｒ

］結(jié)合積分方法和增量鉆孔技術(shù)計(jì)算了纖維金屬層合板殘余應(yīng)力，并通過(guò)了有限元和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。小孔法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)際工程操作，但對(duì)于各向異性的復(fù)合材料，釋放應(yīng)力的計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致測(cè)量精度較低。１．３環(huán)芯法環(huán)芯法是由德國(guó)人Ｍｉｌｂｒａｄｔ于１９５１年提出的，它是一種將剖分法和小孔法改進(jìn)得到的殘余應(yīng)力有損測(cè)量方法。環(huán)芯法通過(guò)在被測(cè)部件表面開(kāi)環(huán)形槽，將中間環(huán)芯部分應(yīng)變釋放，同時(shí)使用應(yīng)變片等方法測(cè)量環(huán)芯處開(kāi)槽前后應(yīng)變的釋放值，，根據(jù)彈性力學(xué)原理即可得出殘余應(yīng)力值，環(huán)芯法原理圖如圖２所示。同樣，對(duì)于釋放應(yīng)變的測(cè)量并不僅僅局限于應(yīng)變片，Ｚｈｕ和Ｘｉｅ［１４］將數(shù)字圖像相關(guān)（ＤＩＣ）方法與環(huán)芯法結(jié)合起來(lái)，在微觀尺度上測(cè)量了熱障涂層材料的界面殘余應(yīng)力；吳立夫等［１５］將云紋干涉技術(shù)與環(huán)芯法結(jié)合對(duì)鋁合金進(jìn)行了測(cè)量，得到了殘余應(yīng)力的面域分布。圖２環(huán)芯法測(cè)試原理Ｆｉｇ．２Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｉｎｇ－ｃｏｒｅｍｅｔｈｏｄ環(huán)芯法具有更高的測(cè)量靈敏度，因?yàn)槠溽尫诺膽?yīng)變比小孔法高１個(gè)數(shù)量級(jí)［１６］。因此，環(huán)芯法可以適用于低水平的殘余應(yīng)力測(cè)量，已被選用為測(cè)量汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件殘余應(yīng)力的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［１７］。環(huán)芯法的環(huán)孔尺寸一般較大，環(huán)孔加工也比較困難，只適用于大尺寸構(gòu)件的應(yīng)力檢測(cè)，所以目前環(huán)芯法在工程應(yīng)用中比較少。上述３種有損檢測(cè)技術(shù)都要通過(guò)機(jī)械的手段對(duì)材料內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行釋放，測(cè)量應(yīng)變釋放前后應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算得到應(yīng)力值，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、直接。但對(duì)于內(nèi)部處于復(fù)雜應(yīng)力平衡狀態(tài)的復(fù)合材料，有損檢測(cè)方法應(yīng)力計(jì)算較為復(fù)雜；另一方面，對(duì)于工程實(shí)際的大尺
【作者單位】： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所;
【基金】：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB046505)
【分類號(hào)】：TB332;TQ342.742


本文編號(hào)：2524025