本发明涉及增强纤维筋材的轴向拉伸强度和弹性模量的预测方法。
背景技术：
1、cfrp(碳纤维增强复合材料)筋材是水平索的主要原材料，是由基体材料(比如树脂体系)、增强纤维(比如碳纤维)以及二者之间的界面组成，属于各项异性材料，破坏失效机理复杂，金属及其他各项同性材料的失效准则并不适用。基于各向异性弹性方程的强度预测模型在单一纵向性能(轴向拉伸)方面及单一纤维作用形式(连续纤维或者短纤维)虽然比较精确，但对于需要考虑横向作用及连续纤维和短纤维共同作用的纵向性能预测方面具有较大偏差。另外，对于是通过拉挤成型的cfrp筋材产品来说，由于产品是将连续的纤维增强材料或预制件由前方的牵引装置牵引，经过导向装置及装有固化剂、填料等的树脂体系的胶槽和通过具有一定型面的预成型模挤出多余树脂，再通过带有加热控温装置的模具，在牵引条件下进行定型固化，形成连续不断的复合材料筋材产品。在以上生产过程中，也存在影响轴向拉伸强度和轴向弹性模量的诸多因素，导致cfrp筋材产品轴向拉伸强度和轴向弹性模量无法精确预测，给该类产品的设计带来困难。
技术实现思路
1、本技术发明人考虑到纤维增强复合材料这类筋材产品的轴向性能受横向作用及连续纤维和短纤维的共同作用的影响，提供一种轴向拉伸强度和轴向弹性模量的预测方法，以实现对增强纤维筋材轴向性能的精准预测。
2、对于结构复合材料，是由能承受载荷的增强体组元与基体组元构成的，主要用于承力和次承力结构，通常增强体承担结构使用中的各种载荷，基体则起到粘接增强体予以赋形并传递应力和增韧的作用。复合材料的增强主要包括纤维增强、晶须增强、弥散增强和颗粒增强等。其中，纤维增强又按照纤维增强的方向分为单向平行纤维增强(包括连续平行纤维单向增强和短纤维单向增强)、多向交叉编织纤维增强。本技术针对连续平行纤维单向增强筋材，基于层板理论，开展了筋材强化机理分析，推导出连续平行纤维增强筋材的理论轴向强度。同时结合筋材工业化大生产条件，考虑了生产过程中也会存在少量短纤维及大量平行纤维中也存在部分纤维发生局部横向弯折等实际因素，提出了增强纤维筋材产品的轴向拉伸强度预测模型。
3、本发明的技术方案为：一种增强纤维筋材的轴向拉伸强度和弹性模量的预测方法轴向平行连续纤维增强机理及理论强度分析
4、本技术所述筋材在设计上为连续纤维增强复合材料，受沿纤维方向的拉伸应力作用，假设纤维性能和直径是均匀的、连续的并全部相互平行；纤维和基体之间的结合是完美的，在界面无相对滑动发生；并忽略纤维和基体之间的线膨胀系数、泊松比以及弹性变形差。整个材料的纵向应变可以认为是相同的，即复合材料、纤维和基体具有相同的应变。筋材在受碳纤维方向的拉伸应力作用(轴向应力)下，整个材料的拉伸轴向应变(平行于纤维丝方向)可以认为是相同的，即
5、εf＝εm＝εc(2.1)
6、式中，εf、εm和εc分别为筋材、纤维(例如碳纤维)和基体(例如环氧树脂)的应变。
7、由于增强纤维(例如碳纤维)与基体均为弹性材料，因此它们所承受的轴向拉伸应力(平行于纤维丝方向)可分别由下式计算
8、σf＝efεf＝efεc (2.2)
9、σm＝emεm＝emεc (2.3)
10、式中：
11、ef—纤维弹性模量；
12、em—基体弹性模量；
13、对于桥梁缆索用纤维增强筋材，主要承受轴向拉伸荷载，其受力方向与纤维方向一致，拉伸荷载由纤维与基体共同承担，因此有
14、pc＝pf+pm(2.4)
15、式中：
16、pc—作用在筋材上的轴向拉伸荷载；
17、pf—作用在纤维上的轴向拉伸荷载；
18、pm—作用在基体上的轴向拉伸荷载；
19、式(2.4)可写为
20、σcac＝σfaf+σmam(2.5)
21、式中：
22、σc—筋材的理论抗拉强度；
23、σf—纤维的抗拉强度；
24、σm—基体的抗拉强度
25、ac—复合筋材横截面面积；
26、af—纤维束横截面积之和；
27、am—基体横截面积；
28、由式(2.5)可以得出，基于连续纤维作用的复合筋材的理论轴向拉伸强度σc如下式：
29、σc＝σfvf+σmvm(2.6)
30、式中：
31、vf为
32、vm为
33、式(2.6)两边均除以εc，并且将式(2.2)及式(2.3)带入，纤维增强复合材料的筋材的理论拉伸弹性模量ec可以写为
34、ec＝efvf+emvm＝efvf+em(1-vf)＝em+vf(ef-em)(2.7)
35、通过式(2.7)、(2.8)可知，对于筋材来说，其轴向抗拉强度、轴向弹性模量介于纤维增强材料与基体材料的抗拉强度和弹性模量之间，高强度纤维增强材料、基体材料对筋材的轴向拉伸抗拉强度和轴向拉伸弹性模量的贡献正比于它们各自的体积分数。
36、在纤维与基体都是线弹性情况下，纤维与基体承担应力与载荷的情况推导如下：
37、
38、因此有：
39、
40、由上式可以看出，筋材中各组分承载的应力比等于相应弹性模量比，为了提高筋材的强度，有效利用纤维的高强度，应使用弹性模量较高的纤维原材料，提高纤维材料与氧树脂基体的弹性模量比。
41、按照理论分析结果，如采用轴向拉伸强度为5500mpa、弹性模量为280gpa的碳纤维丝，当纤维体积含量约为70％时，cfrp筋材理论轴向拉伸抗拉强度可达到935mpa，理论轴向拉伸弹性模量为197gpa，碳纤维增强材料的轴向拉伸强度对于cfrp筋材强度的贡献率达到99％以上。当根据生产线的cfrp筋材产品试制及检验结果表明，实物产品轴向拉伸强度、弹性模量与以上理论分析结果有一定的差异。所以，需要对理论轴向性能进行修正以获得实际轴向性能。
42、工业化生产条件下的筋材产品实际轴向拉伸强度和轴向弹性模量的预测模型
43、以上筋材轴向拉伸强度分析是基于复合材料层板理论，其假设条件为纤维性能是均匀的，纤维丝是连续的，并全部相互平行；另外，纤维和基体之间结合完美，在界面无相对滑动；并忽略纤维和基体之间的线膨胀系数、泊松比以及弹性变形差异所引起的附件应力。但在工业化生产线上生产的连续纤维增强复合筋材采用拉挤成型工艺，其产品的轴向拉伸强度考虑以下因素：1)纤维丝的不均匀性引起的强度和弹性模量的离散；2)纤维丝局部弯折造成的强度和弹性模量损失；3)大生产过程中连续纤维中存在纤维局部损伤断裂的风险，与连续纤维相比，断裂纤维会导致在基体与纤维之间的界面产生局部剪切，引起断裂纤维附近的轴向强度减低，断裂纤维由于受到端部应力集中的影响，等同于短纤维增强；4)纤维与界面局部浸润不完全引起的强度损失。若浸润不良，在界面上会产生空隙，容易使应力集中，使界面区成为应力集中区，最终使界面处产生脱粘而导致复合材料在低应力下破坏；5)纤维和基体之间的泊松比以及弹性变形差异会引起附加应力。聚合物基复合材料固化后，聚合物将产生收缩现象，而且基体与纤维的热膨胀系数相差较大，在固化过程中，纤维与基体界面上就会产生附加应力，这种附加应力会使界面破坏，导致筋材的性能下降。此外，由此载荷作用产生的应力，在筋材的分布也是不均匀的。增强纤维与基体间模量相差较大，筋材在外力场作用下，纤维与基体间常常发生应力集中从而影响复合材料的整体性能。根据生产线实践，以上因素导致的轴向拉伸强度损失约为2％～4％，对弹性模量基本无影响。
44、在以上影响因素中，其影响因素均为考虑最不利因素的随机影响因素，基于轴向纤维增强复合材料理论研究和生产实践，提出了工业化大生产条件下筋材产品的实际轴向拉伸强度σ预测模型和实际轴向弹性模量e预测模型如下：
45、σ＝(k1×k2×k3×k4×k5)σc (2.10)
46、e＝(k1×k2)ec (2.11)
47、其中：k1-纤维丝强度及弹性模量离散修正系数，建议取值为0.97～1.05；
48、k2—纤维局部不平行度修正系数，建议取值为0.87～0.98；
49、k3—纤维局部断裂纤维修正系数，建议取值为0.97～0.99；
50、k4-纤维与基体界面浸润修正系数，建议取值为0.80～0.99；
51、k5-附加应力修正系数，建议取值0.96～0.98；
52、综合以上各项因素，大工业生产线上的cfep筋材强度σ、弹性模量e预测公式如下：
53、σ＝(0.72～0.99)σc (2.12)
54、e＝(0.89～1.03)ec (2.13)
1.一种增强纤维筋材的轴向拉伸强度和弹性模量的预测方法，其特征在于：筋材包括纤维增强体和基体，基体粘结纤维增强体，纤维增强体为连续纤维，受沿纤维方向的拉伸应力作用，假设纤维性能和直径是均匀的、连续的并全部相互平行；纤维和基体之间的结合是完美的，在界面无相对滑动发生；并忽略纤维和基体之间的线膨胀系数、泊松比以及弹性变形差；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于cfrp筋材，式(2.10)中：k1×k2×k3×k4×k5的取值为0.72～0.99；即实际轴向拉伸强度σ和理论轴向拉伸强度σc满足：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于cfrp筋材，式(2.11)中：k1×k2的取值为0.89～1.03；即实际轴向弹性模量e和理论轴向弹性模量ec满足：
