復合材料中的組合載荷的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料檢測和板件設計，并且更具體地涉及通過同時施加組合力以檢測和分析用在板件設計中的復合材料。
【背景技術】
[0002]復合板件，諸如能夠被用于航空器和其他產品中的5縱梁板件，在項目的研究和開發階段期間被檢測，并且在它們被用于航空器或類似的產品之前在認證過程期間必須被測試。當前，使用三種常見方法之一檢測這些5縱梁板件。完整的5縱梁板件的檢測、使用計算機仿真建模并分析5縱梁板件或使用單向拉伸或壓縮載荷檢測較小的樣品板件(試樣)并且將結果逆推完整的5縱梁板件。然而，這些當前的方法中的每種都具有其自身的缺陷和低效性。
[0003]例如，每年會花費數百萬美元制造并且檢測完整的復合5縱梁板件。雖然在復合結構設計被使用到航空器上之前，檢測至少一個5縱梁板件對于認證該復合結構是必要的，但是每個5縱梁板件會花費多達1，200，000美元，并且會耗費6個月來加工和檢測。此夕卜，為了獲得可以被考慮使用的厚度和層疊的范圍內具有統計學意義的數據集，需要對新復合技術進行多個5縱梁板件檢測。由于長研制周期和高花費，檢測用于5縱梁板件的多種可能設計和/或材料的成本和時間會過高，并且可能導致設計者滿足于對于特定設計應用足夠好的板件設計，而不是對于特定設計應用最好或最優的板件設計。
[0004]此外，當前對5縱梁板件使用計算機建模在項目的研究和開發階段不能提供要求精度。例如，當前計算機模型不能可靠地預測破壞載荷、失效模式和損傷軌跡。當前計算機模型的可靠性約為70-80%。那既意味著該分析方法不能預測20-30%的時間的結果。因此，這會導致設計變化，進而通過推遲最終設計和載荷6-12個月并且花費更多金錢來制造額外的5縱梁板件用于每次檢測，影響項目成本和進度。
[0005]最后，在試圖降低與新復合材料有關的總成本中，檢測試樣(即，被用在5縱梁板件中的材料的小部分)已經被利用。不幸地，現存的試樣檢測方法以單軸方式加載試樣，并且不能以表示5縱梁板件情況的方式加載材料。正因如此，當前試樣檢測方法不能可靠且精確地預測5縱梁復合板件的性能。
[0006]因此，需要低成本、快速、精確且可靠的材料檢測方法和板件設計方法。
【發明內容】
[0007]在本發明的一個實施例中，提供用于確定材料失效的方法，該方法包括如下步驟:加工由材料制成的試樣；在試樣上施加第一力和第二力，其中所述第二力不同于所述第一力；以及表征由于所述第一力和所述第二力的施加而產生的材料失效。
[0008]在本發明的另一個實施例中，提供用于設計復合板件的方法，該方法包括如下步驟:對具有第一切口的板件的建模，并且確定靠近所述第一切口的組合應力狀態；對試樣應力狀態建模，以復制所述板件的所述組合應力狀態；加工多個試樣，每個試樣具有第二切口，并且檢測所述多個試樣以獲得多個檢測結果；基于所述檢測結果建立數據庫；基于所述數據庫內的多個檢測結果加工所述板件；以及檢測所述板件。
[0009]在各種實施例中可以獨立地或可以與其他實施例組合獲得已經描述的特征、方法和優點，特征、方法和優點的進一步細節可以參考以下說明書和附圖來理解。
【附圖說明】
[0010]圖1是示例檢測試樣的俯視平面圖；
[0011]圖2是用于檢測一種材料試樣的示例方法的流程圖；以及
[0012]圖3是用于設計復合板件的示例方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]在此描述了一種方法，其提供低成本、快速的材料檢測，該方法可以被使用，以通過同時施加組合的剪切應力和拉伸應力/壓縮應力來更精確且可靠地確定材料(諸如復合層壓材料)的強度。由于局部加載模仿5縱梁板件結構的復雜的加載環境，所以該方法允許多縱梁結構的預測。該材料檢測方法可以比制造和檢測完整的5縱梁板件更快和更便宜。例如，與制造和檢測完整的5縱梁板件的700，000美元到1，200，000美元相比，使用該檢測方法加工和檢測一個試樣的成本將大約每個3，000美元到5，000美元。該檢測方法也可以提供比單純計算機建模更精確的結果，并且提供比當前單軸、單一力試樣檢測更可靠的結果O
[0014]參考圖1，示例檢測試樣10由層壓復合材料或其他材料的2英尺X2英尺的板件組成，該檢測試樣可以是平坦的或具有不均勻的厚度。試樣10也可以具有形成在試樣10中的切口 20，該切口可以被用于模擬或模仿對于5縱梁板件潛在的損壞，諸如在航空器中使用的板件的一些檢測中需要這些切口。在該示例中示出，切口 20是具有圓形端部的長槽，但是可以根據特殊應用或檢測的需要或要求為任何形狀或大小。
[0015]參考圖2，使用上述及圖1中所示的示例試樣10的示例材料檢測方法被示出。雖然示例方法使用試樣10被描述，但是該方法可以被用于檢測期望的任何大小、結構、材料、尺寸等的任何材料。
[0016]在步驟100處，檢測試樣10被加工，如上所述，試樣10可以是2英尺X 2英尺的層壓復合板件，所述檢測試樣具有形成在試樣10中的切口 20。
[0017]在步驟110處，使用執行器或其他熟知的設備將第一力Fl (見圖1)施加到該材料。第一力Fl可以是拉伸力或壓縮力，其決定于正在執行的檢測。
[0018]在步驟120處，使用執行器或其他熟知的設備將第二力F2(見圖1)同時地施加到該材料。第二力F2也可以是拉伸力或壓縮力，其決定于正在執行的檢測，并且第二力F2不同于第一力Fl (例如，大于或小于第一力Fl)。例如，在一些檢測場景中，第一力Fl可以比第二力F2大二倍到十倍。
[0019]由兩個不同的力在試樣10上產生的應力條件包括拉伸/壓縮和剪切，類似于在5縱梁板件中經歷的情況，并且可以模仿與在5縱梁板件中看見的蒙皮相同的應力狀態。
[0020]在步驟130處，一旦觀察到復合材料失效或材料的結構損壞，則材料失效就被表征。表征材料失效可以包括確定材料失效開始時的載荷、失效方向、失效模式(例如，萌生和增長)、該應力條件的最優層疊(best layups)等。由于試樣10不包含任何縱梁、止動件(arrestment)，故大規模損壞增長和縱梁解體行為不能僅通過檢測試樣10而被確定。
[0021]參考圖3，使用圖2中所示的材料檢測方法設計復合板件(諸如，5縱梁板件)的方法被示出。
[0022]在步驟200處，使用有限元方法(FEM)或其他熟知的方法對復合板件(諸如5縱梁板件)建模，并且確定靠近板件中切口的組合應力狀態。
[0023]在步驟210處，使用FEM或其他熟知的方法對檢測試樣(諸如，上述和圖1中示出的試樣10)的應力狀態建模以復制上面在步驟200中對5縱梁板件建模所確定的應力狀態。基于試樣模型，確定第一力Fl和第二力F2的值。
[0024]在步驟220處，檢測試樣10被加工及檢測，如上面步驟100-130中所描述和圖2中所示出的。由于試樣10的較低的成本和加工時間，所以可以加工和檢測20-40個試樣。在檢測期間，第一力Fl和第二力F2可以改變，使用樣品試樣匹配上面描述的模型中的應力狀態。
[0025]在步驟230處，包含在步驟220中在試樣10的檢測中收集的數據的數據庫或響應面(response surface)被建立。該數據庫/響應面在5縱梁板件的最終設計中可以被分析工具和優化器使用。
[0026]在步驟240處，5縱梁板件基于包含在步驟230中建立的數據庫中的數據被加工。使用該方法，只有一個5縱梁板件必須被加工，就能驗證/核實該分析以及認證該設計，而不用加工多個5縱梁板件試圖分析各種設計和/或優化設計。
[0027]在步驟250處，使用熟知的檢測技術檢測和驗證在步驟240中加工的5縱梁板件。即使需要被加工和檢測的5縱梁板件的數量已經減少，它們也不能被省略。在大部分工業中，諸如