本發明屬于加速試驗,涉及一種面向復合材料緊固系統的時-溫等效加速試驗方法。
背景技術:
1、樹脂基復合材料因其優異的性能廣泛應用于各類工程結構中,以該材料作為被連接件的螺栓緊固系統在現代航空航天裝備制造中更是占有重要地位。但螺栓連接處通常是整體結構的薄弱環節,具有突出粘彈性的聚合物基體使得復合材料即使在室溫下也表現出明顯的蠕變和松弛行為,導致緊固系統過早失效。因此,復合材料螺栓連接結構預緊力松弛是威脅整體結構長期性能的重要隱患,對緊固系統長期松弛規律的掌握是提高工程結構可靠性的核心。
2、針對緊固系統的長期性能探究,貯存條件下的自然退化試驗結果最為可靠,但耗時過長且成本過高,現有研究大多聚焦于加速實驗對長期性能的預測效果。例如孫利民等在“weibull分布下恒定應力加速壽命的試驗分析”一文中討論了參數估計的改進方法,實現產品失效時間的預測。這類加速預測方法在統計假設的基礎上,利用相關統計模型對加速環境下獲得的可靠性信息進行轉換,統計分析的對象主要是失效時間。這類評估方法在導彈貯存這類高可靠長壽命的預測問題上則存在不足,無法解釋退化過程中的機理并獲得準確加速關系。
3、另一方面,以復合材料作為被連接件的緊固系統長期松弛行為受到材料蠕變影響有其特殊性。由于復合材料的蠕變與應力松弛行為表現出強烈的時間與溫度依賴性,目前針對復合材料的蠕變分析通常采用基于時-溫等效原理的長期性能加速表征方法,利用高溫短期試驗來表征低溫長期性能,并通過轉換因子來描述其中溫度與時間的對應轉換關系。如nakada等在prediction?of?long-term?viscoelastic?behavior?of?amorphousresin?based?on?the?time-temperature?superposition?principle中基于時-溫等效原理的垂直位移和水平位移,準確預測了玻璃化溫度以下的長期粘彈性行為。然而目前基于時-溫等效原理的加速試驗方法主要針對高聚物材料層面,很少應用于特定的結構上。
4、這些問題限制了針對復合材料緊固系統長期松弛規律的加速試驗研究,無法結合材料特性與結構特點,實現自然貯存下退化規律的精準評估。
技術實現思路
1、針對現有的復合材料連接件長期松弛研究的不足,本發明提供了一種復合材料連接結構長期松弛加速試驗方法,利用粘彈性材料的時間-溫度等效原理,結合螺栓連接特點,在預緊力松弛模型引導下,通過一系列短期高溫松弛試驗構建符合預緊力松弛規律的長期預測主曲線,實現對復合材料連接結構長期松弛行為的加速表征。
2、本發明目的技術方案:
3、一種面向復合材料緊固系統的時-溫等效加速試驗方法,包括以下步驟:
4、(1)根據復合材料連接件的性能與相關標準選定加速試驗的試驗條件參數,試驗條件參數包括試驗件尺寸與試驗環境;其中,試驗件尺寸根據astm標準和結合結構中的螺栓型號確定;試驗環境包括參考溫度、溫度區間、相對濕度和試驗持續時間,需符合所面向工況的具體試驗規程;
5、(2)開展加速松弛試驗:在選定的溫度區間內,按從低到高的順序設置若干組試驗溫度,進行不同試驗溫度下的復合材料連接件加速松弛試驗,繪制各試驗溫度條件下復合材料連接件的預緊力松弛曲線;
6、(3)針對步驟(2)中加速松弛試驗獲得的預緊力松弛曲線,用不同的預緊力松弛理論公式進行擬合,從中選擇最符合試驗規律的預緊力松弛理論公式,以表征復合材料連接件蠕變影響下緊固系統的松弛退化規律趨勢;
7、(4)預緊力松弛主曲線的構建:將各試驗溫度條件下復合材料連接件的預緊力松弛曲線放在同一坐標軸中,以選定的參考溫度為基準,分別將各試驗溫度條件下的預緊力松弛曲線沿對數時間尺度水平移動at(關于溫度的函數),初步構建長期預測主曲線;根據確定的預緊力松弛模型進行非線性回歸計算,以非線性回歸計算所得擬合曲線與長期預測主曲線之間的擬合優度作為優化目標,通過粒子群算法不斷優化迭代,最終確定合適的位移因子at,獲得選定的參考溫度下較大時間范圍內的預緊力松弛主曲線;
8、(5)步驟(4)中得到的at是關于溫度的函數,表示不同溫度下的加速效果;根據所用復合材料連接件的玻璃化溫度tg與步驟(1)中選定的溫度區間,選擇加速模型對at與溫度的關系進行回歸分析,得到任意溫度下時-溫轉換因子的表達式;
9、其中,加速模型包括:
10、arrhenius方程:at=ceδh/rt,式中,c為前因子(也稱為阿倫尼烏斯常數),δh為實驗活化能,r為摩爾氣體常數,t為絕對溫度;該方程適用范圍在t<tg;
11、w-l-f方程:式中,t0為參考溫度,c1、c2為材料特征常數,該方程的適用范圍在tg<t<tg+100℃;
12、若at與溫度的關系不符合加速模型規律,則認為該溫度使得復合材料連接件的失效機理發生改變,需要篩除溫度超出失效邊界的數據,在符合加速模型的溫度范圍內建立可靠的加速關系;
13、(6)最后得到:參考預緊力松弛規律與時-溫等效原理構建的緊固系統長期松弛主曲線,反映不同溫度條件加速效果位移因子at,準確反映出加速試驗中預緊力的時-溫等效關系。
14、本發明的有益效果:該加速試驗方法面向復合材料緊固系統,充分利用了復合材料的粘彈性特性,基于高聚物材料的時間-溫度等效原理,結合緊固結構的松弛規律,實現了通過高溫短期試驗獲取緊固件長期松弛性能的目的。相較于現有技術,本發明在結構層面使用反映材料特性的時溫等效原理,構建符合預緊力松弛規律的長期預測主曲線,更有效地表征了復合材料緊固系統的長期性能。
1.一種面向復合材料緊固系統的時-溫等效加速試驗方法,其特征在于,包括以下步驟: