[发明专利]一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统

说明书

本发明公开一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统，通过外界激励，使处于亚真空密封声场环境中的具有各向异性层合结构的纤维增强复合材料试件产生自由振动，通过音频收集装置和数据采集装置采集振动产生的声频信号；利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱，测得固有振动频率；将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得纤维增强复合材料试件的材料参数结果。本发明能够简单、低成本且高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，特别是涉及一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统。

背景技术

纤维增强复合材料是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料，其最大的优点是比强度高、比模量大。比强度和比模量是在质量相等的前提下衡量结构材料承载能力与刚度特性的一种材料性能指标。对于航空、航天的结构部件，运输载具、舰艇等运动结构，这是一个非常重要的指标，高比强度和比模量往往意味着可制成性能好、质量轻的结构。表1就给出了几种典型层合复合材料和金属材料的力学性能比较。可以看出普通单向碳纤维树脂基复合材料的比强度已经达到了45号钢材的12.2倍，比模量也达到了4.2倍；而高性能碳纤维树脂基层合材料的比强度更可以达到普通钢材的20倍以上，比模量也可以达到10倍以上，性能优势相当明显。

从力学分析的角度看，复合材料与常规材料(如金属材料、塑料)的显著区别是：后者被看作是均质的和各向同性的，而前者是非均质和各项异性的。所谓均质就是物体内各点的性能相同，也就是说，物体的性能不是物体内位置的函数，而非均质正好与此相反。所谓各向同性就是在物体内一点的各个方向上都具有相同的性能，而各项异性则表明某点的性能是该方向的函数。

纤维增强复合材料是由基体和增强纤维材料构成的多相材料，是非均质的，而且一般为各向异性的。由广义胡克定律反映的各向异性弹性体的应力与应变的线性关系可知，对于完全各向异性纤维增强复合材料的独立材料参数多达21个；对于单轴弹性对称材料(具有一个弹性对称面的各向异性材料)，独立材料参数有13个；对于正交各向异性材料(材料中任意一点具有三个互相垂直的弹性对称面)，独立材料参数也多达9个，远多于传统均质金属材料的2个弹性材料参数。

目前，纤维增强复合材料弹性参数的测试多采用单轴或多轴材料试验机实现，测试方法种类繁多，有企业标准、部门标准、国家标准和军用标准等。采用单轴材料试验机测试材料参数，通常只能测试简单铺层结构的纤维增强复合材料，对于复杂铺层结构的纤维增强复合材料多采用专用多轴材料试验机加以测试，但该种设备价格昂贵且测试方法繁琐，不利于复合材料在工程应用领域的低成本、高效应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统，能够简单、低成本且高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，包括步骤：

S100，通过外界激励，使处于亚真空密封声场环境中的具有各向异性层合结构的纤维增强复合材料试件产生自由振动，通过音频收集装置和数据采集装置采集振动产生的声频信号；

S200，利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱，测得固有振动频率；

S300，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得纤维增强复合材料试件的材料参数结果。

进一步的是，所述步骤S200中，利用傅里叶变换分析获得信号的频谱，测得结构的固有振动频率，包括步骤：

S201，将声频信号进行FFT变换；

S202，通过优化算法找出FFT变换后信号峰值对应的特征频率，即试件固有振动频率。