基于超高周三點彎曲的復(fù)合材料試驗方法

陳 超， 陳 煊， 程 禮,2

(1. 空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038； 2. 先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100191)

復(fù)合材料作為一種應(yīng)用前景廣泛的結(jié)構(gòu)材料，具有強度高、密度低等優(yōu)點，其密度一般在1.45～1.6 g/cm3左右，拉伸強度可以達到1.5 GPa以上，是鋁合金材料的3倍以上1，接近超高強度合金鋼的水平。它的這種優(yōu)勢，能夠在保證零部件強度、剛度等性能的同時，極大的減輕航空飛行器的重量。因此越來越多的現(xiàn)代航空飛行器上的部件都采用復(fù)合材料替代原有的金屬材料[1]。

而隨著先進航空飛行器壽命要求的不斷提高，許多關(guān)鍵零部件都承受著108-1012周次高頻低幅長循環(huán)載荷的作用，已遠遠超過了107周次的傳統(tǒng)疲勞極限的范圍[2]，對復(fù)合材料等關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞、長壽命的要求也越來越高。以壓氣機葉片為例，由于其工作狀態(tài)變化和氣動激振頻率非常寬，如果振動頻率為2.8 kHz、服役壽命超過2 000 h，那么葉片承受的壽命循環(huán)次數(shù)就要達到2 000×2 800×3 600=2.016×1010，而發(fā)動機工作葉片和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高階共振是很容易超過這個頻率的，從而造成葉片/盤高頻共振、應(yīng)力過大而斷裂或葉片掉塊、掉角故障，掉下的金屬塊會打傷后面的壓氣機轉(zhuǎn)子和靜子葉片，對發(fā)動機損傷很大。因此，2004年美國用以指導(dǎo)航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱(Engine Structural Integrity Program, ENSIP, MIL-HDBK-1783B w/CHANGE 2)中就明確提出“所有航空發(fā)動機零件的疲勞壽命都應(yīng)達到至少109次循環(huán)”；Bathias等[3]也在其專著中指出燃氣渦輪發(fā)動機部件的循環(huán)次數(shù)可達到1010～1011次循環(huán)。

由于復(fù)合材料的各向異性、非勻質(zhì)性，特別是層間性能遠低于層內(nèi)性能等特點[4]，使得復(fù)合材料與金屬材料的疲勞性能試驗方法和理論分析大為不同，復(fù)合材料的疲勞分析與方法不能直接采用金屬材料的方法。目前國內(nèi)外對于復(fù)合材料的研究大多數(shù)集中于靜載荷或低周循環(huán)，對于高周甚至超高周的試驗研究還十分匱乏，這與其重要應(yīng)用現(xiàn)狀和前景的要求很不相符，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料在疲勞研究領(lǐng)域的數(shù)量統(tǒng)計

最近幾年，對復(fù)合材料超高周疲勞問題的研究受到了世界各國學(xué)者和工程界的廣泛重視，已經(jīng)成為疲勞領(lǐng)域新的研究熱點。Silvain等[5]采用低頻0.5～10 Hz、高頻57～158 Hz的試驗頻率對碳纖維復(fù)合材料進行了研究，并將試驗循環(huán)周次擴展到了109以上，該實驗指出了復(fù)合材料試件在超高周條件下仍然會發(fā)生疲勞破壞；Gude等[6]采用自行設(shè)計的頻率大于150 Hz、可控制試樣溫升變化的超高周實驗方法，研究了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)在超高周疲勞加載下的破壞機理，結(jié)果表明試件在超高周范圍內(nèi)會產(chǎn)生垂直于鋪層方向的斷裂，并引起剛度的明顯下降；Adam等[7]通過改進疲勞試驗機，完成了對[90/0]s玻璃纖維編織復(fù)合材料在試驗頻率為50～80 Hz下的四點彎曲超高周疲勞研究，發(fā)現(xiàn)在低載荷情況下沿厚度方向上的裂紋擴展被減緩，并使得分層推遲出現(xiàn)。

以上對復(fù)合材料進行的超高周試驗方法由于疲勞載荷頻率較低，造成試驗周期長，費用高，且試驗結(jié)果均為小樣本數(shù)據(jù)。比如采用最高160 Hz的試驗頻率，完成一個108循環(huán)周次的試驗也需要完整的7.2 d，而完成109周次更是需要不停歇地進行72.3 d，如圖2所示[8]。這對于需要大量試驗進行研究的材料科學(xué)是相當(dāng)困難的。

圖2 幾種超高周疲勞試驗技術(shù)所需時間成本比較

Daniel等[9]采用頻率為20 kHz的超聲疲勞試驗技術(shù)，對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料進行了三點彎曲加載形式下的超高周疲勞研究。該實驗方法大大縮短了試驗周期，采用每試驗200 ms、暫停2 100 ms的間歇式冷卻方式來解決超高周實驗中的試樣溫升現(xiàn)象，并通過紅外熱像儀來監(jiān)測置于溫度為23℃±1℃的恒溫箱中的試樣溫度。但由于復(fù)合材料自身的結(jié)構(gòu)特點，該實驗方法仍有需要改進之處：

(1)在200 ms的試驗時間段內(nèi)，試件會產(chǎn)生嚴重發(fā)熱現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致試樣內(nèi)碳纖維發(fā)生高溫氧化，發(fā)生破壞；

(2)由于復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性較差，若僅采用暫停試驗的方法可能會導(dǎo)致試樣冷卻不充分，且會增加一定的試驗時間；

(3)采用間歇式的冷卻方式可能會導(dǎo)致復(fù)合材料的受載情況與真實不符。

與國外研究相比，國內(nèi)對于復(fù)合材料的超高周疲勞力學(xué)行為研究至今還未見有文獻報道。鑒于復(fù)合材料的重要應(yīng)用前景，盡早開展我國的纖維增強復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)(材料)的超高周疲勞相關(guān)科學(xué)研究，探索其在超高周疲勞載荷作用下的損傷機理，對未來復(fù)合材料在我國先進飛機和高推重比發(fā)動機的設(shè)計和制造都具有重要的戰(zhàn)略意義。

基于此，本文提出一種超高周三點彎曲的復(fù)合材料試驗方法，通過將超聲試驗裝置與復(fù)合材料的三點彎曲試驗相結(jié)合，改進實驗裝置，并針對復(fù)合材料的受力特點及導(dǎo)熱性差、易出現(xiàn)試樣溫升現(xiàn)象的特性，采用液氮與壓縮冷空氣復(fù)合式冷卻方法，對其進行超高周三點彎曲疲勞特性的研究。

1 材料與試樣

本文采用航空科工武漢磁電公司提供的碳纖維/環(huán)氧樹脂基(HT3/5224)復(fù)合材料為研究對象，該材料層排布為[45°/0/-45°/90°]s，纖維體積分數(shù)為56%，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

為了計算試件尺寸，運用ABAQUS軟件對復(fù)合材料試件進行建模及仿真分析，如圖5所示，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)試件尺寸為33 mm×15 mm×5 mm、兩支點距離L0=22 mm時，其諧振頻率為20 106 Hz，滿足超高周試驗的要求。

為了驗證以上仿真結(jié)果的可靠性，將所得是試驗尺寸代入下式[10]：

Y″″+b2(r2-s2)Y″-b4r2a2Y=0

(1)

(2)

表1 復(fù)合材料的材料參數(shù)表Tab.1 Material parameters of composite

利用邊界條件可得特征方程為：

sin bβ=0

(3)

其中：

(4)

b2β2=(nπ)2(n為固有頻率階數(shù))

(5)

結(jié)合式(1)～(5)，利用Matlab編輯計算程序后代入仿真分析中得到的當(dāng)n=4，即試件的4階共振頻率ω=20 116 Hz，試件尺寸設(shè)計合理，可進行超高周疲勞試驗，試樣尺寸及加載示意如圖4所示，應(yīng)力比R=0.33。

圖3 試件仿真分析

通過壓頭對試件施加初載荷，在試驗過程中，通過光纖位移傳感器對試件底部位移進行測量，其精度為0.1 μm，采用峰-峰值檔，正常試驗時值基本保持不變；當(dāng)試件發(fā)生破壞時，其值產(chǎn)生較大變化，此時可判斷試件發(fā)生破壞。

2 試驗方法

2.1 試驗裝置

本文所用超聲疲勞試驗裝置包括壓電轉(zhuǎn)換器、連接桿、變幅桿、壓頭、光纖位移傳感器、承力裝置、底座以及測控裝置[12]，如圖6所示。數(shù)控超聲波發(fā)生器能夠?qū)?0 Hz的正弦電信號轉(zhuǎn)化為20 kHz的超聲波信號，經(jīng)過換能器的作用，將其轉(zhuǎn)化為同頻率的機械振動，再由變幅桿放大后得到試驗所需振動。三點彎曲超聲疲勞試驗系統(tǒng)基于共振原理，保證彎曲疲勞試件與超聲疲勞試驗系統(tǒng)具有相同的諧振頻率，實現(xiàn)不同靜載荷與動載荷的復(fù)合加載。換能器、連接器、變幅桿和壓頭構(gòu)成縱向諧振系統(tǒng)，并通過壓頭將縱向振動載荷傳遞到彎曲疲勞試件，使彎曲疲勞試件產(chǎn)生彎曲振動。彎曲疲勞試件的幾何尺寸、支承點的位置經(jīng)過式計算得出，使其滿足與縱向振動載荷同頻率的彎曲諧振條件，因而使彎曲疲勞試件產(chǎn)生彎曲共振。

圖4 復(fù)合材料試樣尺寸及加載示意圖

圖5 復(fù)合材料試件及微觀圖

圖6 超高周三點彎曲試驗裝置示意圖

2.2 裝置模態(tài)分析

對于超高周三點彎曲復(fù)合材料試驗，由于復(fù)合材料不同于普通金屬的特性，因此需要對其相關(guān)實驗裝置進行設(shè)計及模態(tài)分析，確保試驗裝置的諧振頻率處于超高周試驗范圍內(nèi)，即處于20 kHz的試驗頻率范圍內(nèi)。

(1)連接桿

由于在三點彎曲試驗中，需要對試件施加靜載荷，因此在傳統(tǒng)超聲試驗裝置基礎(chǔ)上增加了連接桿，用于連接換能器、變幅桿以及承力裝置。在設(shè)計該連接桿尺寸時，需要考慮到諧振頻率滿足實驗需求，且在試驗臺連接部位應(yīng)當(dāng)有駐點存在[11]。由圖7可得知該連接桿的高階諧振頻率為19 912 Hz，可滿足試驗需求。在圖中也可得出桿在連接部位A處存在位移為0的駐點，因此，可在此處施加初載荷。

圖7 連接桿的仿真分析

(2)變幅桿

變幅桿起著放大機械振動的作用，試驗中試件的位移可以反映出其受力情況，因此有必要對變幅桿的放大系數(shù)進行設(shè)計，使得與三點彎曲復(fù)合材料試驗相匹配。對變幅桿進行模態(tài)分析，得出共振頻率為20 060 Hz，其放大倍數(shù)為4.2，如圖8所示，滿足試驗所需條件。

圖8 變幅桿的仿真模擬

(3)整體裝置匹配分析

將連接桿、變幅桿及壓頭裝配后，對其進行整體分析，得出共振頻率為19 370 Hz，放大系數(shù)為7.265，如圖9所示，滿足試驗所需。

圖9 整體裝置匹配分析

2.3 試驗冷卻系統(tǒng)

由于超聲疲勞試驗以20 kHz的頻率進行試驗，試件在試驗過程中處于高頻振動狀態(tài)，會在一定程度上產(chǎn)生熱效應(yīng)，試件上出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，進而對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。王清遠等[16]在研究球墨鑄鐵材料的超高周疲勞性能時，發(fā)現(xiàn)試件在107次循環(huán)前溫度會有陡升，隨后有短暫的下降，在107次循環(huán)后相對溫度平衡穩(wěn)定，并指出該相對平衡穩(wěn)定階段似乎與疲勞試件裂紋的成核和慢速萌生有關(guān)，但并未就相關(guān)方面作進一步研究；謝少雄等[17]對CrMoW轉(zhuǎn)子鋼超高周疲勞行為進行研究時認為：由于溫度的升高，導(dǎo)致了材料的抗拉強度與屈服強度的降低，從而使得材料的抗疲勞性能減弱；Holmes等[18]在研究碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料(C/SiC)時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗頻率從1～85 Hz變化時，試件會有明顯的溫升現(xiàn)象，并指出這是由于周期加載過程中纖維與纖維、纖維與基體之間的相互摩擦造成的；Staehler等[19]在研究C/SiC高周疲勞行為時，提出在進行循環(huán)加載過程中，試件表面溫度的升高與加載頻率及所施加的循環(huán)應(yīng)力有關(guān)。為解決此問題，采用了冷水機組系統(tǒng)進行冷卻，使試件溫度保持16.2℃±0.1℃，但該方法在試件有裂紋時，水會進入復(fù)合材料內(nèi)部，從而對試驗造成不良影響，且該試驗環(huán)境與壓氣機葉片的真實工作環(huán)境不符；Xue等在研究TiAl合金的超聲疲勞試驗時采用了吹壓縮冷空氣的方法，該方法對在進行超高周疲勞試驗的金屬試件效果比較明顯；Daniel等在研究碳纖維編織復(fù)合材料的超聲試驗方法時，采用了間歇加載的方法，試驗一定時間后暫停試驗機以進行試件的冷卻。但由于復(fù)合材料本身的導(dǎo)熱性弱于金屬材料，試驗若僅采用壓縮空氣進行冷卻，則材料內(nèi)部纖維的氧化現(xiàn)象仍然較為明顯。圖10為采用壓縮空氣進行冷卻的熱成像圖，從圖中可以看出，試件最高溫區(qū)域是處于試樣的兩支承點上方而不是在試件與支承點接觸的地方，在加載過程中，由于材料內(nèi)部高頻摩擦導(dǎo)致溫度急劇升高，在8 s就可達到90℃，最高溫度可達120℃以上，并在此處產(chǎn)生微小裂紋，造成試件發(fā)生燒蝕破壞，如圖11所示。

圖10 采用壓縮空氣進行冷卻的熱成像圖

圖11 產(chǎn)生燒蝕的試件

基于此，本文提出了液氮與壓縮冷空氣復(fù)合式冷卻方法，通過氣流引射原理，將連接有電壓調(diào)器的電阻絲伸入液氮中，通過電阻絲加熱使液氮氣化，由罐口導(dǎo)管引出液氮冷氣，在接近試件處，利用高速噴出的壓縮空氣氣流，帶動液氮冷氣噴向試件，以達到對試件進行冷卻的目的，如圖12所示。該冷卻系統(tǒng)利用電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電阻絲功率，以達到控制導(dǎo)出液氮冷氣量的目的，進而控制冷卻溫度。采用這種方式，避免了直接使用液氮對復(fù)合材料基體造成損傷，又能達到快速冷卻的效果。

圖12 液氮與壓縮冷空氣復(fù)合式冷卻方法

圖13為采用液氮與壓縮空氣冷卻方法的溫度曲線，圖14為采用液氮與壓縮空氣冷卻的熱成像圖。從上圖中可以看出，經(jīng)過液氮與壓縮空氣復(fù)合式冷卻方法冷卻后的試件在實驗中溫度明顯下降，穩(wěn)定階段溫度保持在55℃左右，在發(fā)生破壞時升高到75℃左右，在整個試驗加載過程中，試樣始終處于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度以下，未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，表明該方法能有效對復(fù)合材料進行冷卻，滿足超高周三點彎曲疲勞試驗要求。

圖13 采用液氮與壓縮空氣冷卻的溫度曲線

圖14 采用液氮與壓縮空氣冷卻的熱成像圖

3 結(jié) 果

利用改進后的試驗裝置，對復(fù)合材料進行了不同應(yīng)力下的超高周三點彎曲試驗研究，利用公式σmax=Ec·εmax可計算得出試件所受最大彎曲應(yīng)力，得出其S-N曲線，如圖15所示。由圖可以得出，該材料在最大彎曲應(yīng)力低于6.5 MPa時進入超高周疲勞狀態(tài)，不存在傳統(tǒng)的疲勞極限，在超高周范圍仍然會發(fā)生破壞。在σmax=4.9 MPa時，試件能夠達到109次循環(huán)，此時產(chǎn)生輕微分層，但在諧振頻率略降低后仍可繼續(xù)進行試驗，而當(dāng)σmax<4.9 MPa時，試件在達到109后仍未發(fā)生破壞，可繼續(xù)進行試驗，這與Michel對碳纖維復(fù)合材料采用158 Hz進行超高周試驗的研究結(jié)果相一致。

圖15 試件在超高周范圍內(nèi)的S-N曲線

超高周實驗表現(xiàn)出了與金屬材料完全不同的特性，其破壞形式主要有分層、橫向裂紋和脫膠現(xiàn)象。圖16所示為經(jīng)過顯微觀察的試件，實驗測得該試件諧振頻率為20 112 Hz，處于試驗裝置的測試范圍，可進行超高周實驗，試驗周次達到2.1×108次循環(huán)。在圖中可以清晰看出試件存在著分層、橫向裂紋以及脫黏現(xiàn)象，其分層部位主要發(fā)生在不同纖維層交接處，橫向裂紋基本與分層處垂直。

圖16 顯微條件下的試件疲勞破壞

4 結(jié) 論

(1)提出了一種復(fù)合材料的超高周三點彎曲試驗方法，該方法可以大大縮短試驗周期，提高試驗效率；

(2)采用復(fù)合式冷卻技術(shù)可以消除試樣在超高周高頻加載過程中的熱效應(yīng)，保證實驗結(jié)果的有效性；

(3)復(fù)合材料在低載荷、高周次的情況下仍會發(fā)生破壞，其疲勞特性不同于金屬，形式主要是分層、橫向裂紋及脫黏。