積木式材料測試方法是一個循序漸進的過程，可作為設計復合材料結構的框架，同時降低風險和成本。

圖1. 組合結構的積木式方法。

在復合材料測試的背景下，積木式方法是一系列逐步增加復雜性的力學測試，并在每個步驟進行分析，作為設計復合材料結構的框架。雖然復合材料設計的積木式方法的大部分參考集中在其最早開發的航空行業，但也是復合材料行業服務的許多其他終端市場遵循通用方法。毫不奇怪，復合材料測試的數量和類型變化很大，并且取決于復合材料結構的應用和復雜性。

圖1中顯示了說明所執行的測試級別的一般積木式金字塔。在積木式方法中，每個級別或“塊”都有特定的用途，并且從底部開始按順序尋址。可根據供試品的復雜性以及測試結果的使用來描述與每一水平相關聯的測試。在本文中，將重點介紹與設計過程的初始階段相對應的積木式金字塔的最低級別。

積木式金字塔的基準層，稱為試片級別，是進行大多數試片級別測試的地方。這些測試有多種目的，根據所設計的結構，這些目的差異很大。測試的首要目的是篩選候選復合材料。如果候選材料尚未可用，則進行篩選測試以確定其基本剛度和強度特性。

此外，通常的做法是選擇其他類型的篩查測試，以獲得特定應用或目的的關鍵特性。例如，短梁剪切試驗（ASTM D 23441）可用于材料選擇，因為測量的短梁強度對復合層壓板內的孔隙率、纖維與基體的粘附性和層間強度問題高度敏感。此外，許多航空航天應用中都使用了開孔壓縮測試（ASTM D64842）和沖擊后壓縮測試（ASTMD71373），因為這兩種測試都是缺口敏感性的篩選測試，而前者用于缺口層壓板設計允許值，這些值通常比壓縮強度更關鍵。由于尚未選擇要使用的特定多向層壓板，因此這些測試通常使用準各向同性層壓板（25%的0°層、50%±45°層和25%的90°層）。此外，這些篩選測試有時是在應用預期的關鍵環境條件下進行的，例如在高溫下使用經過水分調節的試樣。在做出最終選擇之前，候選復合材料也可能經過制造和維修試驗。

雖然需要大量的時間和費用，但這種測試旨在減少金字塔更高層的子組件和組件級測試的數量。

請注意，如果選擇存在現有數據庫的復合材料，則可以消除相當一部分篩選測試。盡管復合材料供應商通常只提供其材料的有限性能，但越來越多的復合材料可以使用公共數據庫。例如，20世紀90年代開發的高級通用航空運輸實驗數據庫，包括碳纖維和玻璃纖維增強復合材料的薄片材料性能，這些復合材料具有織物和單向纖維。此外，國家先進材料性能中心數據庫，包括各種復合材料的薄片和層壓板性能數據，重點是航空航天工業。最后，《復合材料手冊》（CMH-17）第2卷中提供了各種普遍感興趣的復合材料的力學性能數據。

一旦為特定應用選擇了候選復合材料，并確定了支持設計的關鍵機械性能，就必須為測試面板制造開發一個穩定的制造工藝，該工藝可以繼續構建更復雜的測試物品，從而形成最終結構。隨著加工規范的制定，可以對多個生產批次的材料進行特定應用的關鍵機械性能測試，并用于確定初步的材料允許值—從測試數據中統計得出的材料性能值。為此，通常使用在多個生產運行中生產的材料進行測試。還可以進行測試以解決非環境的影響。對于聚合物基復合材料，最常見的關注環境是熱/濕條件，在這種條件下，基體材料會失去剛度和強度，以及冷溫度，在這種溫度下基體材料會喪失延展性。

在設計過程的這一點上進行額外的試樣級測試，以獲得使用分析更難產生的材料性能。示例包括缺口敏感性（開孔和填充孔）測試、軸承測試和損傷容限（沖擊后壓縮）測試。這些測試通常使用特定應用感興趣的特定多向復合層壓板進行。為了限制所需的測試量，通常會通過限制纖維取向的數量（例如0°、±45°和90°層）并改變層壓板中每組層的百分比來減少層壓板的數量。對于航空航天應用，常見的層壓板測試包括準各向同性層壓板（25%0°層、50%±45°層、25%90°層）以及其他“硬”層壓板（40-50%0°層）。有時也會測試“軟”層壓板（8-10%的0°層）。即使候選層壓板的數量有限，測試的數量也會迅速增加。

總之，通常在積木塊方法的基礎水平上進行相對大量的試樣水平測試。雖然需要大量的時間和費用，但這種測試旨在控制材料和工藝的可變性，并減少金字塔更高層的子組件和組件級測試的數量，從而在降低風險的同時降低整體成本。然而，正如在開始時提到的那樣，不同終端市場之間的構建過程以及復合結構的不同復雜性存在相當大的差異。關于積木式方法的大部分內容都集中在航空航天領域，特別是商業航空航天領域。目前，《復合材料手冊》（CMH-17）第3卷第4章對積木式方法進行了最廣泛的介紹。

在復合材料設計的積木式方法的上層進行測試取決于結構的應用和復雜性。

圖1. 復合結構的積木式方法。

在上一篇文章中，介紹了復合材料測試積木式方法，這是一系列日益復雜的機械測試，再加上每一步的分析，作為設計復合材料結構的框架。關注的是積木金字塔的基準面（圖1），稱為試樣層，其中大部分試樣層測試都是為了篩選候選復合材料并確定材料性能和容許值。在本文中，我將重點介紹上層積木塊級別，通常稱為元件、子組件和組件級別。

盡管大多數關于復合材料設計積木式方法的參考都集中在它最初開發的航空市場，但許多其他終端市場也遵循了同樣的通用方法。毫不奇怪，復合材料測試的數量和類型差異很大，取決于復合材料結構的應用和復雜性。在本專欄中，我將提供在設計復合材料自行車車架、復合材料汽車底盤和復合材料飛機機翼結構時在上層積木塊級別進行的測試示例。

在積木式的過程中，超越了試片級測試，元件級測試通常側重于與復合材料結構相關的特定復雜性。示例包括彎曲或錐形區域、切口或厚度累積以及粘結或螺栓連接。此外，加載方法可能會產生復雜性，導致復雜的應力狀態和未知的失效模式。元件級測試也用于評估和校準分析方法，以預測所選結構特征的故障模式和位置。為此，通常設計相對簡單的元件級測試物品來研究特定的故障模式，隨后用于開發用于更高級別測試的預測能力，以及最終的復合材料結構。在這些和所有其他用作積木式方法一部分的試片中，材料、制造和檢驗方法應與復合結構生產中使用的相同。

在設計復合材料自行車車架時進行的元件級測試的示例包括復合材料管彎曲測試、管與凸耳粘合測試和座管/柱連接測試。然而，由于對子部件（自行車架的一部分）以及部件級（完整）自行車架進行測試的可負擔性，元件級的測試可能會受到限制。對于復合材料汽車底盤，可以進行錐形復合材料管壓碎試驗和關鍵粘結接頭試驗。對于復合材料飛機機翼結構，示例包括蒙皮/長桁拉脫試驗、層板脫落區域試驗和粘結或螺栓連接試驗。

積木式的下一級側重于子組件的測試和分析，通常由代表整個復合結構一部分的組件組成。子部件測試物品的復雜性增加，通常需要更復雜、更昂貴的測試夾具和加載框架來產生代表整個復合材料結構內的加載和邊界條件。此外，使用試驗品和載荷進行子部件測試，旨在產生特定的故障模式或特定位置的故障，以用于進一步驗證分析方法。同樣，可以進行測試來評估損傷容限和維修的有效性。除了準靜態加載至失效外，還通常進行循環疲勞加載。

圖2. 復合材料汽車底盤的元件和子部件級試樣示例。

在設計復合材料自行車車架時進行的子部件級測試的示例包括前管/凸耳彎曲測試和底部支架扭轉測試。對于復合材料汽車底盤，示例包括圖2所示的復雜錐形結構的壓碎測試，以及保險杠橫梁總成和門檻與地板連接處的動態測試。對于復合材料飛機機翼結構，示例包括金屬凸耳與翼梁接頭的測試、翼梁的測試以及多長桁機翼壁板的測試。

圖1. 所示的積木金字塔的頂層，稱為組件層，在復合組件代表整個結構的情況下，也用作全尺寸層。在這個積木塊級別，完全組裝的組件會受到一系列負載情況的影響，以研究通過結構的負載路徑以及由此產生的故障模式和位置。負載情況和故障模式也可以通過在組件級別進行的分析和既定的行業標準測試來識別。將測試中獲得的測量撓度、應變和由此產生的失效位置和模式與分析預測進行比較。我們三個示例應用程序的組件級測試將以三個復合材料結構為例：復合材料自行車車架、復合材料汽車底盤和復合材料飛機機翼結構。

在每個積木塊級別進行的測試數量取決于復合材料結構的尺寸、關鍵性和復雜性。對于相對較小和簡單的復合材料結構，可能需要進行更多的子部件和部件級測試，因此可以減少試片和元件測試的數量。同樣，在開發相對較小和簡單的結構時，可能會減少對分析方法使用的關注，而更加強調測試。以我們的三個應用程序為例，在開發復合材料自行車架時，可能會進行更多的子組件和組件級測試，而較少關注試片級和元件級測試以及分析，但在開發復合飛機機翼時，會更加關注較低級別的積木塊測試和分析。正如這三個示例應用程序所示，在選擇在構建塊的每個級別執行的測試范圍/數量時，存在相當大的靈活性。

原文，1.《Composites testing as part of a building block approach, Part 1: Coupon-level testing》；2.《Composites testing as part of a building block approach, Part 2: Upper building block levels》

楊超凡

補發一條更改信息

7月7號發出的《復材汽車零件制造》，在第7頁“該車的生產速度為每天29臺，預計使用壽命為4200臺。”這段文字更改為：“該車的生產速度為每天20組套件，預計生命周期內總產量將達到4200組套。”