一种用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法

摘要

本发明涉及一种用无损检测与有限元分析结合定量分析材料界面性能的方法。该方法通过加载复合材料，无损检测系统实时记录某一加载变量；同时有限元方法依据材料本征性质，模量、抗拉强度及泊松比等对应模拟试件加载全过程，找到与无损检测变量相对应的模拟状态，进而得到此模拟状态下的全面分析结果，包括纤维与基体间摩擦系数、应力、应变、反力等反映材料界面性能的各个物理量。无损检测高精度方法验证有限元分析的部分参量，而有限元分析提供更全面的分析结果。该方法灵敏度高、定量值可信，无需破坏粘接层。

权利要求

1.一种用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法，依次包括如下步骤：

1)将待测复合材料样品夹持于万能拉力机上，加载负荷于所述待测样品，万能拉力机拉伸所述待测样品并实时记录拉力载荷与拉伸位移数值，同时用激光散斑无损检测方法或全息照相检测方法记录所述待测复合材料样品形变的散斑条纹图或全息照片；

2)应用有限元软件模拟所述步骤1)中待测复合材料样品的拉伸过程，设置模量、屈服强度及泊松比，调整耦合摩擦系数，得到不同载荷步的变形图形，将所述不同载荷步变形图形中的变形参量列表导出，相同坐标点的变形量相减，转化为二维矩阵值后绘制与散斑条纹图的条纹间隔值大小相同的等势图，得到与实验结果一致的模拟状态，完成所述待测复合材料样品界面性能的定量分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述待测复合材料样品由基体材料和增强材料组成；

所述基体材料为热塑性树脂或者热固性树脂；所述增强材料为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、碳纤维原丝或聚芳酰胺纤维。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述基体材料选自聚烯烃、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚苯硫醚、聚苯撑氧、聚醚砜、聚醚醚酮、环氧树脂，酚醛树脂、聚氨酯、硅树脂、硅橡胶、丁苯胶、氯丁胶、丁基胶、丁腈胶和乙丙橡胶中的任意一种或任意几种以任意比例混合的混合物。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述实时记录的模式为序列相减模式或等间隔相减模式；所述步骤2)中，所述相同位置点位移量相减的方法与步骤1)相对应，为序列相减或等间隔相减。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，负荷的加载模式为力学加载、热加载或声加载。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述加载负荷的速度为0.005mm/min～

0.05mm/min，所述加载负荷为能产生0.5～50μm波长微变形的负荷。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为获得更清晰的散斑条纹图，所述步骤1)还包括以下步骤：在保持所述待测复合材料样品变形状态稳定的条件下，通过压电微位移驱动器在参考光或物光中引入三步、四步或五步相移量，改变两个相干波长的相对位相，求解得到所述更清晰的散斑条纹图。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述待测复合材料样品的长度为50～

200mm，宽度为5～50mm，厚度为0.5～5mm；

所述增强材料距离待测复合材料样品观测表面的埋置深度不超出样品表面，为

0.25～2.5mm，所述增强材料的埋置长度占待测复合材料样品总长度的10％～100％。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述增强材料在所述待测复合材料样品中的埋置形式为纤维单束埋置或薄片层埋置；

所述纤维单束直径为0.3～0.7mm；所述薄片层长度为50～200mm，宽度为5～50mm，厚度不超出所述待测复合材料样品表面，为0.2～1mm。

说明书

一种用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能

的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种定量分析材料界面性能的方法，特别涉及一种用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法。

背景技术

[0002] 随着各类功能材料、复合材料等先进材料的工业应用范围的不断扩大，由不同材料组成的界面的力学行为，越来越受到了人们的重视。各种结构及材料的结合部，如复合材料层合体的层间、金属/陶瓷结合界面、功能器件与承载构件的结合界面等，对材料或结构整体的力学行为乃至其功能性能有着十分重要甚至是支配性的影响；若粘接层粘接不好，出现裂缝、空隙，使用过程中极可能造成重大事故。对于复合材料，增强体与基体之间的界面能起到协调基体和增强体变形的作用，通过界面可将基体的应力传递到增强体上，基体和增强体通过界面发生结合，但结合力的大小要适当，既不能过大，也不能太小，结合力过大会使复合材料韧性下降，结合力过小，起不到传递应力的作用，容易在界面处开裂。增强体，基体和界面共同作用，可以改变复合材料的韧性、抗疲劳性能、抗蠕变性能、抗冲击性能及其他性能。因此就有必要对粘接界面性能进行定量分析，以确定该复合材料是否适合实际应用。研究工作者为了获得复合材料粘接力的定量信息，投入了大量的研究工作。一些人提出直接用力破坏复合材料粘接层来获得粘接力的大小(高学敏等编著，《粘接和粘接技术手册》，四川科学技术出版社，470-486)。这种方法虽然能获得粘接力的定量数值，但是无法反应基体材料性质及其应力在基体材料中的分布行为，无法跟踪观测增强体与基体材料破坏过程，而且材料受到完全破坏，因此这种方法不是理想的获得材料粘接性能的方法。

[0003] 激光无损测量技术是一种高灵敏度、非接触、实时有效监测材料力学加载行为的方法，然而这种方法只能看到材料有限维度，有限参量的分析结果，无法看到试件加载过程中反映材料性质的各物理量。另一方面，有限元分析方法作为一种便宜、方面、全面地全场分析工具，已经展示出其在结构和力学分析的巨大应用前景。但是，有限元分析模型的建立及加载过程中一些细微的差异，即可能引起分析结果的极大差异，造成结果的不可信。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法。

[0005] 对于粘接在一起的复合材料外加载荷后，由于不同基体粘结材料及增强材料模量、抗拉强度，及它们之间的粘接强度的不同，界面周围将产生不均一的变形位移，这种变化与材料性质、粘结性能有直接的关系。

[0006] 众所周知，激光散斑干涉测量技术是一种对粗糙表面进行无损全场光学测量的技术(罗伯特K.厄尔夫等编著，《散斑计量学：原理与应用》，机械工业出版社，58-80)，由于散斑干涉测量技术具有结构方法简单、非接触全场测量、不需光学平滑表面、抗干扰性强而可用于工况现场等突出优点，被广泛的应用于位移、应变等各方面的测量中。当物体表面发生变形时，它的位移以及位移的导数与空间散斑的位移有确定的关系，这一确定关系是根据所测得的散斑运动推断物体表面变形的依据。通过双光束散斑干涉产生散斑场及对应的相减模式，如下所示：

[0007]

[0008] 式中，ψ为混合粗糙表面各种随机相，为由于物体变形而使物光产生的一维相变化。由于正弦函数的调制得到的激光散斑序列图将以条纹形式呈现出来。

[0009]

[0010] 式中， 为相对位移变化，λ为光波波长，Δu为加载方向的位移增量，n为条纹级数，条纹的多少直接反映出变形大小。

[0011] 由此，本发明人应用无损检测方法测得材料某一加载过程的变量，并用有限元分析方法找到与此变化相同的正确模拟状态，从而得到表征材料性能的各项物理参量，包括纤维与基体间摩擦系数、应力、应变和反力等。

[0012] 本发明提供的用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法，如图1流程图所示，依次包括如下步骤：

[0013] 1)将待测复合材料样品夹持于万能拉力机上，加载负荷于所述待测样品，万能拉力机拉伸所述待测样品并实时记录载荷与拉伸位移，同时激光散斑无损检测方法或全息照相检测方法记录所述待测复合材料样品形变的散斑条纹图或全息照片；

[0014] 2)应用有限元软件模拟步骤1)中待测复合材料样品的拉伸过程，设置模量、屈服强度及泊松比，调整耦合摩擦系数，得到不同载荷步的变形图形，将所述不同载荷步的变形参量列表导出，相同坐标点的变形量相减，转化为二维矩阵值，绘制与散斑条纹图的条纹间隔值大小相同的等势图，得到与实验结果一致的模拟状态，完成所述待测复合材料样品界面性能的定量分析。

[0015] 该方法中，无损检测方法为激光散斑无损检测方法或全息照相检测方法。负荷的加载模式为力学加载、热加载或声加载。加载负荷的速度为0.005mm/min～0.05mm/min，所需加载负荷为能够产生0.5～50μm微变形的负荷，该负荷不会对材料界面造成破坏。

[0016] 步骤1)中，实时记录方式为序列相减或等间隔相减模式；相应的，步骤2)中，所述相同位置点位移量相减的方法为其对应的序列相减或者等间隔相减。此外，为得到更清晰的散斑图像，可保持变形状态稳定时，通过压电微位移驱动器在参考光或物光中引入三步、四步或五步相移量，改变两个相干波长的相对位相，进而求解得到对背景、对比度和噪音不敏感的清晰散斑条纹图像。三步、四步或五步相移位相方法是按照下述文献中的方法进行：Self-marking phase-stepping electronic specklepattern interferometry(ESPI)for determining a phase map with least residues，M.J.Huang，Bo-Son Yun，Optics & Laser Technology，2009，39(1)，136-148。

[0017] 步骤2)中，导出的不同载荷步的变形参量列表为随机XYZ工作列表，即X，Y列分别对应于X，Y位置坐标值，Z列对应于变形大小。将相同坐标位置点的变形量相减，得到与所述步骤1)相对应的序列相减或等间隔相减变形变量。为进一步得到等势图，需将随机工作列表转化为规则网格矩阵。将随机X Y Z工作列表转化为网格矩阵是按照下述文献中的Kriging算法编程进行的：Statistics and data analysis ingeology，Davis，John C.，John Wiley & Sons，Inc.second edition，pp.383。

[0018] 待测复合材料样品由基体材料和增强材料组成；其中，基体材料为热塑性树脂或者热固性树脂，选自聚烯烃、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚苯硫醚、聚苯撑氧、聚醚砜、聚醚醚酮、环氧树脂，酚醛树脂、聚氨酯、硅树脂、硅橡胶、丁苯胶、氯丁胶、丁基胶、丁腈胶和乙丙橡胶中的任意一种或任意几种以任意比例混合的混合物。增强材料为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、碳纤维原丝或聚芳酰胺纤维。

[0019] 上述待测复合材料样品的长度为50～200mm，宽度为5～50mm，厚度为0.5～5mm；所述增强材料距离待测复合材料样品观测表面的埋置深度不超出样品表面，为0.25～
2.5mm；增强材料的埋置长度占待测复合材料样品总长度的10％～100％；增强材料在待测复合材料样品中的埋置形式为纤维单束埋置或薄片层埋置；纤维单束直径为0.3～0.7mm；
薄片层长度为50～200mm，宽度为5～50mm，厚度不超出所述待测复合材料样品表面，为
0.2～1mm。

[0020] 本发明提供的用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法，将无损检测的高精度、实时优势与有限元分析全面的优势进行结合，兼具两种方法的优点。该方法采用激光散斑检测系统全场记录复合材料受载条件下的位移变化，同时万能拉力机实时记录拉力大小，因此，该方法不仅可以直接得到增强体的受力情况，而且可以实时观测纤维与基体材料细观破坏行为。该方法由于采用了激光散斑光学检测方法，灵敏度高、对粘接性能可进行无损定量检测，无需完全破坏复合界面。该方法能够对材料粘接性做出定量检测分析，为复合材料是否适合实际使用提供可靠的依据。该方法灵敏度高、测得的定量值可靠，对界面性能可进行无损定量检测，无需破坏粘接层。

附图说明

[0021] 图1为无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法的流程图。

[0022] 图2为复合材料界面性能受载条件下的激光散斑检测装置示意图。

[0023] 图3为纤维增强复合材料的载荷-位移曲线。虚线对应为环氧树脂-碳纤维样品；实线对应为硅橡胶-碳纤维样品。

[0024] 图4为纤维增强复合材料在拉伸过程中实时记录的激光散斑图。其中，图4a对应为环氧树脂-碳纤维样品；图4b对应为硅橡胶-碳纤维样品。

[0025] 图5为有限元分析与激光散斑实验图像对比。其中，图5a对应为环氧树脂-碳纤维样品；图5b对应为硅橡胶-碳纤维样品。

[0026] 图6为有限元分析正确模态下，沿拉伸方向的全场位移等势图。其中，图6a对应为环氧树脂-碳纤维样品；图6b对应为硅橡胶-碳纤维样品。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

[0028] 本发明提供的用无损检测与有限元模拟结合定量分析材料界面性能的方法，如流程图1所示，具体实施步骤如下：

[0029] 1)将待测样品表面喷上白漆，干燥后夹持于万能拉力机上；

[0030] 2)用稳衡速度加载样品，万能拉力机实时记录拉伸位移及载荷，同时记录散斑条纹图；

[0031] 图2为复合材料界面性能受载条件下的激光散斑检测装置示意图。其中，1为激光器，2为电荷耦合器件(Charge Coupled Device)，3为加载装置(可为万能拉力机或热源等载荷器件)，4为计算机，5为压电微位移驱动器。

[0032] 3)应用有限元软件模拟界面拉伸过程，设置好模量、屈服强度及泊松比等，调整耦合摩擦系数，得到不同载荷步的变形图形，同时将位移值导出，应用计算程序相减得到与条纹间隔值一致的等势图；

[0033] 4)调整有限元方法本征参数找到与散斑条纹图实验结果的正确的模拟状态，并得到反映界面性能的各个物理参量，包括纤维与基体间摩擦系数、应力、应变或反力等。

[0034] 实施例1、单束碳纤维增强环氧树脂复合材料界面的检测

[0035] 基体材料为环氧树脂(双酚A型环氧树脂型号为E-51，固化剂低分子量聚酰胺树脂型号为651，无锡市阿尔兹化工有限公司)，增强体为单根直径7μm，每束1000根，长度150mm的碳纤维丝束(大连兴科碳纤维有限公司)。

[0036] 该检测方法是按照如下步骤进行的：

[0037] 1)将环氧树脂与固化剂按10∶3的质量比混匀后倒入80×20×2mm3的四氟模具中，将一束碳纤维插入其中1mm厚度处。在烘箱中按程序缓慢升温固化：60℃，3小时，70℃，3小时，80℃，3小时，105℃，3小时，120℃保持3小时，直至固化得到金黄色半透明的样条。
将样品从模具中取出，表面喷上白漆，待白漆干燥后夹持于万能拉力机上。用0.01mm/min的稳衡速度拉伸该样品，万能拉力机实时记录拉伸位移及载荷，同时CCD记录散斑条纹图。

[0038] 图3中虚线所示为该实施例所用环氧树脂-碳纤维复合材料的载荷-位移曲线。由于环氧树脂质硬，模量大，并且与碳纤维粘结紧密，载荷达到200N，载荷-位移曲线平滑稳定，仍没有明显的滑移。图4(a)所示的激光散斑等间隔相减图(间隔时间为120s)同样反映出这一现象，等速拉伸过程中变形增量趋于一致。

[0039] 2)应用有限元Ansys10.0软件模拟界面拉伸过程，设置环氧树脂弹性模量为2.8E9，泊松比为0.44，纤维增强体模量为4E11，泊松比为0.3，应用二分法调整耦合摩擦系数(初始范围R0＝0.5，Re＝1.0)，得到任一耦合摩擦系数值下不同载荷步的运行结果；将不同载荷步的变形参量列表导出，导出的列表为随机XYZ工作列表，即X，Y列分别对应于X，Y位置坐标值，Z列对应于变形大小，并将相同坐标位置点的变形量相减，得到与步骤1)相对应的等间隔相减变形变量列表。为进一步得到等势图，将随机工作列表转化为规则网格矩阵。将随机X Y Z工作列表转化为网格矩阵是按照下述文献中的Kriging算法编程进行的：Statistics and data analysis in geology，Davis，John C.，John Wiley & Sons，Inc.second edition，pp.383。

[0040] 转化为二维矩阵值后，绘制与条纹间隔值大小相同的等势图，如图5(a)所示，直至实验结果与模拟结果一致，二分搜索结束，此时的摩擦系数为0.88。图6(a)进一步展示了有限元分析正确模态下，沿拉伸方向的全场位移等势图。由于纤维与环氧基体结合牢固，并且基体同样具有很大的模量，纤维同样出现较大应变，承受很大载荷。同时，从软件分析还可以得到更多有用指标，如位移形变，拉应力，VonMise应力等。

[0041] 实施例2、单束碳纤维增强硅橡胶复合材料界面的检测

[0042] 选用的复合材料中，基体材料为硅橡胶(GN512，乙烯基封端的二甲基硅氧烷催化加成，香港先进技术工业有限公司)，增强体为单根直径7μm，每束1000根，长度150mm的碳纤维丝束的碳纤维(大连兴科碳纤维有限公司)。

[0043] 该检测方法是按照如下步骤进行的：

[0044] 1)硅凝胶5g被倒入80×20×2mm3的四氟模具中，一束碳纤维插入其中1mm厚度处。在烘箱中按程序缓慢升温硫化：60℃，3小时，70℃，3小时，80℃，3小时，105℃，3小时，120℃保持3小时，直至硫化得到无色半透明的样条。将样品从模具中取出，表面喷上白漆，待漆干燥后夹持于万能拉力机(3)上。用0.01mm/min稳衡速度拉伸样品，万能拉力机记录拉伸位移及载荷，同时CCD实时记录散斑条纹图。

[0045] 图3中实线所示为该实施例所用硅橡胶-碳纤维复合材料的载荷-位移曲线，由于硅橡胶质软，模量小，并且与碳纤维粘结不牢，达到4N即开始滑移，并且力加载下硅橡胶容易变形，当变形加剧达到一定程度克服摩擦能，纤维与硅橡胶将发生相对位移达到一个新的松弛平衡状态，继续拉伸，形变加剧又开始一个新的周期，从而出现周期反复。图4(b)所示激光散斑等间隔相减图(间隔时间为120s)同样反映这一现象，硅橡胶变形剧烈，并出现周期反复。

[0046] 2)应用有限元Ansys10.0软件模拟界面拉伸过程，设置硅橡胶弹性模量为7E6，泊松比为0.48，纤维增强弹性模量为7E11，泊松比为0.3，应用二分法调整耦合摩擦系数(初始范围R0＝0.5，Re＝1.0)，得到不同载荷步的变形图形，同时将位移值导出，相同坐标点变形量相减，按照与实施例1完全相同的方法将数据转换为二维矩阵值，绘制与条纹间隔值大小相同的等势图，如图5(b)所示，直至最终实验结果与模拟结果一致的摩擦系数为0.65。图6(b)进一步展示了有限元分析正确模态下，沿拉伸方向的全场位移等势图，由于硅橡胶基体与纤维结合较弱，并且基体模量相比于纤维小很多，形变更多由基体承担。进一步可以从软件分析得到更多有用指标，如位移形变，拉应力，VonMise应力等。

[0047] 实施例3、碳纤维薄片增强环氧树脂复合材料界面的检测

[0048] 基体材料为环氧树脂(双酚A型环氧树脂型号为E-51，固化剂低分子量聚酰胺树脂型号为651，无锡市阿尔兹化工有限公司)，增强体为单根直径7μm，每束1000根，长度150mm的碳纤维(大连兴科碳纤维有限公司)。

[0049] 该检测方法是按照如下步骤进行的：

[0050] 1)将环氧树脂与固化剂按10∶3的质量比混合均匀后倒入80×20×2mm3的四3
氟模具中，用缠绕式将纤维平整铺好，刷上薄层环氧树脂预固化成为100×20×0.2mm 薄片后，小心置于其中1mm厚度处。在烘箱中按程序缓慢升温固化：60℃，3小时，70℃，3小时，
80℃，3小时，105℃，3小时，120℃保持3小时，直至固化得到金黄色半透明的样条。将样品从模具中取出，表面喷上白漆，待漆干燥后夹持于万能拉力机上。用0.01mm/min稳衡速度拉伸样品，万能拉力机实时记录拉伸位移及载荷，同时CCD记录散斑条纹图。

[0051] 由于环氧树脂质硬，模量大，并且与碳纤维布粘结紧密，载荷达到200N里载荷曲线仍没有明显的滑移。激光散斑等间隔相减图(间隔时间为120s)得到平行竖直条纹，且条纹间距变化稳定。

[0052] 2)应用有限元Ansys10.0软件模拟界面拉伸过程，设置环氧树脂弹性模量为2.8E9，泊松比为0.44，纤维增强体模量为4E11，泊松比为0.3，应用二分法调整耦合摩擦系数(初始范围R0＝0.5，Re＝1.0)，得到不同载荷步的变形图形，相同坐标点变形量相减，按照与实施例1完全相同的方法将数据转换为二维矩阵值，绘制与条纹间隔值大小相同的等势图，直至最终实验结果与模拟结果一致的摩擦系数为0.85。有限元分析结果显示，由于纤维与环氧基体结合牢固，并且基体同样具有很大的模量，纤维同样出现较大应变，承受很大载荷。进一步，从软件分析还可以得到更多有用指标，如位移形变，拉应力，VonMise应力等。

[0053] 实施例4、碳纤维薄片增强硅橡胶复合材料界面的检测

[0054] 选用的复合材料中，基体材料为硅橡胶(GN512，乙烯基封端的二甲基硅氧烷催化加成，香港先进技术工业有限公司)，增强体为单根直径7μm，一束1000根，长度150mm的碳纤维丝束的碳纤维(大连兴科碳纤维有限公司)。

[0055] 该检测方法是按照如下步骤进行的：

[0056] 1)5g硅凝胶被倒入80×20×2mm3的四氟模具中，用缠绕式将纤维平整铺好，刷上3
薄层硅橡胶树脂预固化成为100×20×0.2mm 薄片后，小心置于其中1mm厚度处。在烘箱中按程序缓慢升温硫化：60℃，3小时，70℃，3小时，80℃，3小时，105℃，3小时，120℃保持
3小时，直至硫化得到无色半透明的样条。将样品从模具中取出，表面喷上白漆，待漆干燥后夹持于万能拉力机(3)上。用0.01mm/min稳衡速度拉伸样品，万能拉力机记录拉伸位移及载荷，同时CCD实时记录散斑条纹图。

[0057] 由于硅橡胶质软，模量小，并且与碳纤维粘结不牢，达到4N即开始滑移。激光散斑等时间间隔相减图(间隔时间为120s)得到平行竖直条纹，条纹间距变化剧烈，当变形达到一定程度克服形变能，纤维与硅橡胶发生相对位移达到一个新的平衡状态。继续拉伸，形变加剧开始一个新的周期，从而出现间距紧凑-稀疏-紧凑的交替变形趋势。

[0058] 2)应用有限元Ansys10.0软件模拟界面拉伸过程，设置硅橡胶模量为7E6，泊松比为0.48，纤维增强体模量为4E11，泊松比为0.3，应用二分法调整耦合摩擦系数(初始范围R0＝0.5，Re＝1.0)，得到不同载荷步的变形图形，同时将位移值导出，相同坐标点变形量相减，按照与实施例1完全相同的方法将数据转换为二维矩阵值，绘制与条纹间隔值一致的等势图，直至最终实验结果与模拟结果一致时的摩擦系数为0.64。有限元分析结果显示，由于硅橡胶基体与纤维结合较弱，并且基体模量相比于纤维小很多，形变更多由基体承担；进一步可以从软件分析得到更多有用指标，如位移形变，拉应力，VonMise应力等。