复合材料冲击试验机的研制及相关试验_唐义号

文章编号:1673-1220(2008)04-048-04

复合材料冲击试验机的研制及相关试验

唐义号1,杨建国1,罗国仁1,王永贵2

(1.中国直升机设计研究所,景德镇,333001;2.中国船舶重工集团第七o三研究所,哈尔滨,150066)

摘要简要概括了复合材料冲击试验的研究现状,详细介绍了某落锤式冲击试验机的研制及工作原理;以某层压板为例验证了该试验机性能,并对比分析了冲击前后层压板强度的变化。结果表明:该试验机数据收集满足试验要求;层压板受到低能冲击后内部出现大量分层损伤,其强度值降低最大达35%。

关键词复合材料;冲击试验机;层压板;损伤

中图分类号:V250.2文献标识码:A

Study on I m pacting M achi ne&Relevant Experi m e nt

TANG Y-i hao1,YANG Jian-guo1,LUO Guo-ren1,WANG Yong-gui2

(1.China H elicopter R esearch and D evelop m ent Institute,Ji ngdezhen,333001;

2.N o.703R esea rch Instit ute o f CSIC,H aerb i n,150036)

A bstract The current study ing cond ition about i m pacti n g experi m ents to co mposites w as summ a-

rized briefl y and t h e desi g ning&work i n g princ i p le o f the i m pacti n g m ach i n e w ere i n troduced de-ta iledly.The property o f the i m pacti n g m achine w as va li d ated by experi m ent o f i m pacti n g to so m e co m posite la m inates,and the strength attenuation w as analysed.The resu lts she w that the i m pacti n g m ach i n e satisfies the request of co llecting o f data,and the i m pacti n g o f lo w energy cou l d lead vast la m inate da m age in t h e o f the co m psite la m inates and the streng t h m ostly reduced35%.

K ey words co mposite;i m pacting m achine;la m i n ates;da m age

1前言

复合材料由于具有较高的比强度和比刚度,在航天航空等方面得到了广泛的运用。但是,其制造工艺和本身材料性能特点,使得复合材料及其构件在制造和使用的过程中不可避免的带有缺陷和受到损伤。特别是工具的坠落、操作和维护设备的撞击,以及跑道的碎石、冰雹或鸟类等外来物冲击所形成的损伤,往往表现为目视不可检的/内伤0。实验表明,这类/内伤0使材料或结构的承载能力及寿命显著降低,从而对结构安全构成潜在威胁。

近年来,在复合材料层压板结构实际应用中,许多实验研究工作集中在低能量冲击条件下复合材料结构的损伤破坏模式、损伤产生和扩展机理及影响因素等方面。关于对损伤后复合材料层压板结构力学性能方面的研究,主要通过试验进行评定。实验研究大部分以半圆头落锤、摆锤模拟制造、维修时工具掉落对复合材料层压板结构造成的冲击[1];以空气枪模拟飞机起飞及降落时跑道上碎石飞溅或冰雹对机体所造成的冲击破坏。如落锤式冲击试验机冲击锤质量不超过15kg,冲击的速度一般小于7m/s;摆锤式冲击试验机冲击锤也不超过15kg,但其冲击

总第156期2008年第4期直升机技术

HEL I CO PTER TEC HN IQU E

T ota l N o.156

N o.42008

收稿日期:2008-01-15

速度小于2m /s ;气枪式冲击适宜小于250g 的冲击头以及速度高于100m /s 时的试验。实验以对层压板结构试件进行正冲击为主,根据需要分别测定和分析冲击过程中层压板结构的接触力的变化、能量、应力、应变、位移与时间的关系(加载、卸载规律)及它们之间的相互关系,以确定损伤产生和扩展时能量释放、应力或应变的阈值,分析冲击能量(速度)、冲击物质量、尺寸和形状、层压结构板的几何形状及铺层方式对冲击损伤破坏的影响

[2]

,同时对复合材

料层压板结构冲击后的压缩强度进行实验研究。这

些研究对复合材料层压板结构的安全设计和损伤容限的评定提供了可靠的依据。

上述的试验研究及理论分析必须建立在足够的可靠试验数据之上。因此,研制一种简单、可靠、重复性好、具备实时数据采集功能的冲击试验机对于复合材料性能的评定和应用具有重要意义。

2 冲击试验机机械结构及开发原理

本套冲击试验机由机械结构系统与电测系统两大部分构成,该实验设备能够完成冲击实验与数据采集分析的全过程。全系统包括机械钢架、落锤结构、提升与释放机构、数据采集系统和数据分析系统几部分。

本试验装置配有两套不同的冲击压头,压头直径分别为1215mm 和25mm 。冲头质量为5kg ,冲击载荷压头是半球形。冲击载荷的能量从1~50J 不等变化,依据下落的高度(最大高度是2m )和落锤的质量来控制。

将落锤拉至所需高度释放,落锤沿两侧导轨自由落下,冲击试件冲击所发生的物理现象有结构响应、冲击效应以及波的传播。在冲击过程中重要的因素是冲击的速度大4。经过某点需计算其速度,测速系统原理如图1所示,在导轨上落锤的下落方向上布有两对光电传感器,电路中维持高电平。当落锤经过时,阻挡光的通路,即在此刻产生一个负脉冲,记录下该时刻;两对光电门按照一定的合适距离安装在试件上方不远处,则用两个负脉冲之间的时间间隔去除光电传感器的间距,得到的数据即能够近似反映落锤冲击试件前的瞬时速度,即V 瞬时U V 平均=d /(t2-t 1)。由于落锤下落时在重力作用下作加速运动,故间隔d 要适中,如果过大会造成该段内的平均速度与冲击瞬间的瞬时速度相差过

大,若d 过小又会在计时过程中产生较大相对误差。

此外光电传感器的布置要依试件高度调节,使之距离试件顶端不太远。

冲击压头上装有一个压力传感器,用以测量冲

击压头与冲击物的接触力,其信号处理结构系统见图2。

试验数据由一个P .C 试验计数器记载,这个数据记载器的精度是:八个各自独立的数据输入通道,8字节的准确度,采样率是1L s(1MH z)。冲击过程中,冲击速度计算公式为:

V(t)=1

M Q

t

F (t)dt

(1)

其中M 为落锤重量,F (t)是所记录的冲击击接解力与时间的关系函数。

冲击点位移计算公式为:

S (t)=12M Q

t 0

F (t)t 2

d t (2)

根据所记载的F (t)及(1)、(2)式可计算得出

冲击速度及位移函数。数据处理时,以冲击物接触冲击体时为零时刻。

由于试验数据量很大,因此用C ++编写了通

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