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作为构建块方法的一部分,复合材料测试,第2部分:上层构建块电平

在复合材料设计的构建块方法的上层进行测试取决于结构的应用程序和复杂性。
#设计和测试

复合结构的构建块方法。

图。1。复合结构的构建块方法。照片信用,所有图片:Dan Adams

在我的2021年8月我介绍了复合材料构建块方法作为提高复杂性的逐步阶段的机械测试,与每个步骤执行的分析相结合,其用作用于设计复合结构的框架。我专注于构建块金字塔(图1)的基础级别,称为票面利率水平其中,大多数优惠券级测试用于筛选候选复合材料和确定材料性能允许。在这个专栏中,我将专注于上层建筑块水平,通常称为元素子组件成分水平。

尽管大多数关于复合材料设计的构建块方法的参考都集中在其最初开发的航空市场上1在美国,许多其他终端市场也采用了同样的一般方法。毫不奇怪,复合材料测试的数量和类型变化很大,并且取决于应用程序和复合材料结构的复杂性。在本专栏中,我将提供在设计复合材料自行车车架、复合材料汽车底盘和复合材料飞机机翼结构时,在上层建筑块层次上执行的测试示例。

逐步超越优惠券级别的测试,元素级别测试通常专注于与复合结构相关的特定复杂性。实例包括曲率或逐渐变细,切出或厚度和粘合或螺栓接头的区域。另外,可以通过加载方法产生复杂性,从而产生复态应力状态和未知的故障模式。元素级测试还用于评估和校准用于预测所选结构特征的故障模式和位置​​的分析方法。为此目的,相对简单的元素级测试制品通常设计用于研究特定的故障模式,随后用于开发用于更高水平测试的预测能力,以及最终的复合结构。在这些和所有其他测试制品中用作建筑物块的一部分,材料,制造和检查方法应与用于生产复合结构的生产相同。

在设计复合自行车框架时进行的元素级测试的示例包括复合管弯曲试验,管 - 凸耳粘合测试和座管/后结检测。然而,由于在子组件(自行车框架的部分)以及组件级(完整)自行车框架上进行测试,可以限制元件水平的测试。对于复合汽车底盘,可以进行锥形复合管压碎测试和关键键合的关节测试。对于复合飞机翼结构,实例包括皮肤/加强件拔出测试,帘布层脱落区域测试和粘合或螺栓接头试验。

选择在构建块的每个级别执行的测试程度/测试量时,存在相当大的灵活性。

建筑块的下一级侧重于测试和分析子组件通常由表示整个复合结构的一部分的组件组成。子组件测试物品的添加复杂性通常需要更复杂和昂贵的测试夹具和装载框架以产生负载和边界代表整个复合结构的条件。此外,子组件测试是通过测试产品和加载来进行的,设计用于产生特定的故障模式或在特定位置的故障,用于进一步验证分析方法。类似地,可以进行测试评估损害耐受性和有效性洛克的维修。除了准静态负载失效外,还常见的循环疲劳负载。

元件和子组分测试之间的差异的示例在图2中示出。图2是从复合汽车底盘的复合锥结构的情况下的情况下2.虽然元素和子组分测试制品在尺寸和形状方面是现实的,但是元素级锥体具有简化的几何形状,并且仅表示复锥锥的前挤压区域。相反,子组分水平测试制品由整个复合部件组成,并保留复杂的结构特征,附着点和粘合剂键。

用于复合汽车机箱的示例元素和子组件级别测试制品。 

图2.复合材料汽车底盘的单元和子组件级试验项目示例。

在设计复合自行车框架时执行的子组分级测试的示例包括前管/凸耳弯曲测试和底部支架扭转测试。对于复合汽车底盘,示例包括粉碎测试图2中所示的复杂锥形结构。如图2所示,以及保险杠梁组件和梁梁组件和体面的结动动态测试。对于复合飞机机翼结构,实例包括金属凸耳以复合翼梁接头检测,复合翼翼梁测试和多加强翼面板测试。

建筑块金字塔的顶层如图1所示(开放图像),被称为成分级别,在复合组件代表整个结构的情况下,还可以作为全尺寸级别。在这个建筑单元水平上,完全组装的构件要经受一系列的荷载情况,以研究荷载通过结构的路径以及由此产生的失效模式和位置。载荷情况和失效模式也可以从组件级别的分析和已建立的行业标准测试中识别出来。测量的挠度,应变和由此产生的破坏位置和模式,从测试中获得比较从分析的预测。对我们的三个示例应用程序进行组件级测试时,将使用三种复合材料结构作为示例:复合材料自行车框架、复合材料汽车底盘和复合材料飞机机翼结构。

在每个构建块级别执行的测试数量取决于大小,关键性复合结构的复杂性。对于相对较小和简单的复合结构,可以进行大量的子组件和组件级测试,因此可以执行较少的组件和元件测试。类似地,当开发相对较小时,可能会减少对分析方法的使用的关注,而更强调测试而且简单结构。使用我们的三个应用程序作为示例,在开发复合自行车框架时可能会发生更多的子组件和组件级测试和较少关注优惠级和元素级测试,以及分析,但更大的焦点较低在开发复合飞机机翼时,会产生构建块测试和分析。由于这三个示例应用所示,在选择构建块的每个级别执行的测试范围/数量时,存在相当大的灵活性。

参考

1复合材料手册-17 (CMH-17),第3卷:材料使用、设计和分析,SAE国际,Rev. G, 2012。

2Barnes, G., Coles, I., Roberts, R., Adams, d.o., and Garner, D.M.,“未来塑料和复合材料密集车辆的碰撞安全保证策略”,Volpe国家运输系统中心报告,dots - vntsc - nhtsa -10-01, 2010年6月。

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