試驗(yàn)背景：
為提高飛機(jī)的安全性，并盡可能減輕飛機(jī)質(zhì)量，需掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)件材料-碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，獲得材料在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能參數(shù)，為復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)和仿真分析提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)。

采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)搭配高速攝像機(jī)，對(duì)兩種鋪層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行常溫下中低應(yīng)變率力學(xué)性能試驗(yàn)，高速攝像機(jī)全場(chǎng)實(shí)時(shí)記錄試件變形破裂完整過(guò)程，得到不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和失效參數(shù)。

DIC三維應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)
XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，搭配高速攝像機(jī)追蹤試樣快速變化表面特征點(diǎn)的變化，然后通過(guò)DIC分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣全場(chǎng)應(yīng)變、位移的測(cè)量，具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)定、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)合電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)，獲得應(yīng)變率6.7×10-4~500 s-1范圍內(nèi)[(±45°)]4s和[(±45°)]8 兩種鋪層碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分析材料拉伸強(qiáng)度和失效應(yīng)變的應(yīng)變率敏感特性及斷裂行為。

DIC三維應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)內(nèi)容

DIC三維應(yīng)變測(cè)量-散斑處理后的試樣

在中低應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)中，利用XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)搭配高速攝像機(jī)，實(shí)時(shí)采集目標(biāo)區(qū)域變形的散斑圖像，結(jié)合DIC分析軟件和相關(guān)算法計(jì)算試件的位移場(chǎng)，進(jìn)而得到試件表面的應(yīng)變場(chǎng)，經(jīng)后處理分析得到動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變率。

非接觸式高速DIC測(cè)試

動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變分析結(jié)果

動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變率曲線

通過(guò)兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料中低應(yīng)變率范圍內(nèi)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，可知在應(yīng)變率6.7×10-4~500 s-1 范圍內(nèi)，應(yīng)變率對(duì)兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能影響均較大。隨著應(yīng)變率的增加，材料的流動(dòng)應(yīng)力顯著增大。

碳纖維復(fù)合材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

材料失效特性分析

a實(shí)驗(yàn)件斷裂結(jié)果

[(±45°)]8鋪層失效結(jié)果

a實(shí)驗(yàn)件斷裂結(jié)果

[(±45°)]4s鋪層失效結(jié)果

測(cè)試結(jié)論

1）DIC三維應(yīng)變測(cè)量-動(dòng)態(tài)力學(xué)性能：獲取兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料均具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，材料的流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率的提高而顯著增強(qiáng)。

2）DIC三維應(yīng)變測(cè)量-中低應(yīng)變率范圍內(nèi)，[(±45°)]4s 碳纖維復(fù)合材料的失效模式為燕尾型破壞，[(±45°)]8 為剪切破壞。兩者均發(fā)生局部的纖維斷裂和分層失效，且分層損傷面積隨應(yīng)變率的提高逐漸增大。

3））DIC三維應(yīng)變測(cè)量-[(±45°)]8碳纖維復(fù)合材料的名義失效應(yīng)變?cè)趹?yīng)變率 6.7×10-4~10s-1范圍內(nèi)變化較小，在應(yīng)變率10~500 s-1范圍內(nèi)先減小后增大。[(±45°)]4s碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)變率6.7×10-4~10 s-1范圍內(nèi)變化較小。此外，兩者的名義失效應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而逐漸增大。

案例摘自：【惠旭龍，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的中低應(yīng)變率 力學(xué)性能試驗(yàn)研究】