复合材料疲劳试验中试样自加热控制的应用

彼得Bailey，Instron动态系统的高级申请专家，谈论Azom关于复合材料疲劳测试的益处和应用以及Instron独特的样品自加热控制如何在此内容。

您是否可以简要解释对复合材料和聚合物的疲劳测试的需要？

答案很简单，对于要求很高的应用，我们不能只使用静态材料特性来安全有效地设计，因为真实的结构也会承受动态载荷。

让我反过来问你一个问题:复合材料的疲劳测试是否应该比金属的疲劳测试更重要?答案肯定是“不”，金属疲劳是众所周知的，并被认为是一个基本的考虑因素。

实际上，我认为无论是使用复合材料的术语“疲劳”是有点误导，因为在材料中发生的物理过程如此差别与金属中的物理过程。

尽管如此，毫无疑问，将负荷施加到复合材料导致一些显微损伤，并且在循环加载下这种损坏在宏观尺度上积聚，降低强度和刚度。

哪些行业从这些测试中受益最大?

在当前的情况下，许多风力涡轮机叶片制造商已经在使用这些测试来告知他们的设计参数;这些公司成功地交付了提高性能的产品，同时最小化了运行中的故障。这也意味着原材料供应商现在需要能够提供其复合材料产品的疲劳测试数据。

然而，商业航空航天和汽车制造商更有效、更高效地使用复合材料，并在越来越关键的结构，意味着他们现在认识到有必要将疲劳数据纳入他们的材料选择和设计。我们预计，未来5年，这些行业对复合材料疲劳测试的需求将显著增长。

为什么测试标准今天以固定频率指定测试？

我相信，在首次起草这些标准时，这起源于谨慎对标本加热，应变率效应和机器控制。然而，实际上，我们现在知道，除非应变率通过数量级变化，否则其对结构复合材料的性能的影响很大程度上是微不足道的。

同样，现代机器控制通常能够适应变化的频率和样品性能，这是模拟电子技术难以实现的。

Instron的WaveMatrix软件如何协助这些疲劳测试?

wavmatrix动态测试软件提供用户友好又复杂的测试控制，允许材料科学家轻松快速地构建测试方法，以简明的格式，监视和控制测试流程来记录关键数据。

基本包自动校正受控波形（如上所述）以实现指定的峰值，潜在附加模块允许实现导出参数和复杂的外环控制的实时计算。

标本自加热控制（SSHC）如何增强该软件？

样品自加热控制是Instron独有的，专为复合材料和聚合物的测试而设计。该模块在整个测试过程中自动优化测试频率，实现一致的试样温度，同时确保尽可能短的测试时间。

SSHC附加组件有什么节省时间的好处?

对于生产典型的S-N曲线(维勒曲线)，我们预计，与单一固定频率方法相比，机器时间至少节省25%。

在一个案例研究中，在4赫兹下测试5种应力水平下的4个样本，整个样本将持续运行55天。

通过使用试样自加热控制为了将绝对温度控制到30°C，该样品实际上总共花了40天，只需要适度增加到6.5 Hz的测试频率。

这个附加组件还有其他的好处吗?

所有试验都能保持一致的试样温度。案例研究表明，这通常会减少从循环到失败的分散。

复合材料疲劳试验人员经常观察到在20°C或30°C以上的高负载试样(按ISO/ASTM推荐的3hz至5hz)的温升。

同时，承受较低载荷振幅的试件可以接近环境温度运行。当然，任何科学家或工程师都会同意，这种本应是可控变量的变异是极不可取的。

不要忘记，仅仅把你的测试放在一个温度室中是解决不了这个问题的，因为达到的样品温度与环境条件是相抵消的。

如何在整个测试中保持稳定的温度?

该软件连续监视样品温度输入，基于其自动调节测试频率以首先达到，然后维护用户指定的目标温度。

用户还可以指定目标温度公差;在大多数测试环境中，很容易达到±0.5°C的公差。

您能否简要介绍一下最近与NCCEF进行的验证案例研究?

曼彻斯特大学国家复合材料认证和评估设施与他们成立以来与Instron合作，并建立了对复合材料疲劳测试的相当大的专业知识，用于研究和合同测试。在开发新软件模块期间，我们要求他们在代表S-N曲线生成上进行“道路测试”。

NCCEF的工作人员提供了编织丝束增强环氧树脂(来自预浸料)的样品，然后运行两个完整的数据集;一种是在4hz固定频率下使用他们通常的方法;第二，使用相同的测试参数和SSHC模块优化频率，使样品温度为30°C。工作人员发现，这导致了27%的机器时间节省，结果显示固定频率和自适应频率方法的结果近乎完美的相关。

我们目前在与主要原材料制造商合作中，我们又在NCCEF进行了类似的案例研究。在用于风力涡轮机应用的特殊玻璃纤维增​​强材料上，数据到目前为止表明，除了略高的循环，除了略有较高的散射之外，还具有类似的时间。

样品自加热控制是否可以与所有的Instron测试系统相结合?

它可以很容易地与任何应用循环加载的动态测试系统集成，并由Instron 8800系列控制器驱动。如果系统当前没有运行Wavematrix™软件然后需要更新软件，以及样品温度传感器。

WaveMatrix支持来自国家仪器的经济实惠的热电偶数据采集系统，直接由USB连接。或者，任何合适的温度换能器都可以通过控制器上的附加模拟输入通道连接。

对于使用旧帧控制电子设备的系统(或其他制造商)，有必要对我们的8800MT控制器进行改造，该控制器将通过WaveMatrix支持PC控制，并提供改进的数据采集、精度和操作人员安全性。

对彼得·贝利

Peter Bailey目前是Instron动态系统的高级申请专家，在动态材料测试中研究当前和开发需求，以及指导新产品的开发。亚博网站下载

他拥有伦敦帝国学院材料科学与工程的繁荣学位，并在谢菲亚博网站下载尔德大学亚博老虎机网登录的同一学科中掌握了博士学位。

Peter于2012年加入Instron，在材料测试和实验室分析方面拥有丰富的经验，从海洋防卫工业的工业生产支持，到生物塑料配方专利的研究和开发。亚博网站下载