积木式材料测试方法是一个循序渐进的过程，可作为设计复合材料结构的框架，同时降低风险和成本。
图1. 组合结构的积木式方法。
在复合材料测试的背景下，积木式方法是一系列逐步增加复杂性的力学测试，并在每个步骤进行分析，作为设计复合材料结构的框架。虽然复合材料设计的积木式方法的大部分参考集中在其最早开发的航空行业，但也是复合材料行业服务的许多其他终端市场遵循通用方法。毫不奇怪，复合材料测试的数量和类型变化很大，并且取决于复合材料结构的应用和复杂性。
图1中显示了说明所执行的测试级别的一般积木式金字塔。在积木式方法中，每个级别或“块”都有特定的用途，并且从底部开始按顺序寻址。可根据供试品的复杂性以及测试结果的使用来描述与每一水平相关联的测试。在本文中，将重点介绍与设计过程的初始阶段相对应的积木式金字塔的最低级别。
积木式金字塔的基准层，称为试片级别，是进行大多数试片级别测试的地方。这些测试有多种目的，根据所设计的结构，这些目的差异很大。测试的首要目的是筛选候选复合材料。如果候选材料尚未可用，则进行筛选测试以确定其基本刚度和强度特性。
此外，通常的做法是选择其他类型的筛查测试，以获得特定应用或目的的关键特性。例如，短梁剪切试验（ASTM D 23441）可用于材料选择，因为测量的短梁强度对复合层压板内的孔隙率、纤维与基体的粘附性和层间强度问题高度敏感。此外，许多航空航天应用中都使用了开孔压缩测试（ASTM D64842）和冲击后压缩测试（ASTMD71373），因为这两种测试都是缺口敏感性的筛选测试，而前者用于缺口层压板设计允许值，这些值通常比压缩强度更关键。由于尚未选择要使用的特定多向层压板，因此这些测试通常使用准各向同性层压板（25%的0°层、50%±45°层和25%的90°层）。此外，这些筛选测试有时是在应用预期的关键环境条件下进行的，例如在高温下使用经过水分调节的试样。在做出最终选择之前，候选复合材料也可能经过制造和维修试验。
虽然需要大量的时间和费用，但这种测试旨在减少金字塔更高层的子组件和组件级测试的数量。
请注意，如果选择存在现有数据库的复合材料，则可以消除相当一部分筛选测试。尽管复合材料供应商通常只提供其材料的有限性能，但越来越多的复合材料可以使用公共数据库。例如，20世纪90年代开发的高级通用航空运输实验数据库，包括碳纤维和玻璃纤维增强复合材料的薄片材料性能，这些复合材料具有织物和单向纤维。此外，国家先进材料性能中心数据库，包括各种复合材料的薄片和层压板性能数据，重点是航空航天工业。最后，《复合材料手册》（CMH-17）第2卷中提供了各种普遍感兴趣的复合材料的力学性能数据。
一旦为特定应用选择了候选复合材料，并确定了支持设计的关键机械性能，就必须为测试面板制造开发一个稳定的制造工艺，该工艺可以继续构建更复杂的测试物品，从而形成最终结构。随着加工规范的制定，可以对多个生产批次的材料进行特定应用的关键机械性能测试，并用于确定初步的材料允许值—从测试数据中统计得出的材料性能值。为此，通常使用在多个生产运行中生产的材料进行测试。还可以进行测试以解决非环境的影响。对于聚合物基复合材料，最常见的关注环境是热/湿条件，在这种条件下，基体材料会失去刚度和强度，以及冷温度，在这种温度下基体材料会丧失延展性。
在设计过程的这一点上进行额外的试样级测试，以获得使用分析更难产生的材料性能。示例包括缺口敏感性（开孔和填充孔）测试、轴承测试和损伤容限（冲击后压缩）测试。这些测试通常使用特定应用感兴趣的特定多向复合层压板进行。为了限制所需的测试量，通常会通过限制纤维取向的数量（例如0°、±45°和90°层）并改变层压板中每组层的百分比来减少层压板的数量。对于航空航天应用，常见的层压板测试包括准各向同性层压板（25%0°层、50%±45°层、25%90°层）以及其他“硬”层压板（40-50%0°层）。有时也会测试“软”层压板（8-10%的0°层）。即使候选层压板的数量有限，测试的数量也会迅速增加。
总之，通常在积木块方法的基础水平上进行相对大量的试样水平测试。虽然需要大量的时间和费用，但这种测试旨在控制材料和工艺的可变性，并减少金字塔更高层的子组件和组件级测试的数量，从而在降低风险的同时降低整体成本。然而，正如在开始时提到的那样，不同终端市场之间的构建过程以及复合结构的不同复杂性存在相当大的差异。关于积木式方法的大部分内容都集中在航空航天领域，特别是商业航空航天领域。目前，《复合材料手册》（CMH-17）第3卷第4章对积木式方法进行了最广泛的介绍。
在复合材料设计的积木式方法的上层进行测试取决于结构的应用和复杂性。
图1. 复合结构的积木式方法。
在上一篇文章中，介绍了复合材料测试积木式方法，这是一系列日益复杂的机械测试，再加上每一步的分析，作为设计复合材料结构的框架。关注的是积木金字塔的基准面（图1），称为试样层，其中大部分试样层测试都是为了筛选候选复合材料并确定材料性能和容许值。在本文中，我将重点介绍上层积木块级别，通常称为元件、子组件和组件级别。
尽管大多数关于复合材料设计积木式方法的参考都集中在它最初开发的航空市场，但许多其他终端市场也遵循了同样的通用方法。毫不奇怪，复合材料测试的数量和类型差异很大，取决于复合材料结构的应用和复杂性。在本专栏中，我将提供在设计复合材料自行车车架、复合材料汽车底盘和复合材料飞机机翼结构时在上层积木块级别进行的测试示例。
在积木式的过程中，超越了试片级测试，元件级测试通常侧重于与复合材料结构相关的特定复杂性。示例包括弯曲或锥形区域、切口或厚度累积以及粘结或螺栓连接。此外，加载方法可能会产生复杂性，导致复杂的应力状态和未知的失效模式。元件级测试也用于评估和校准分析方法，以预测所选结构特征的故障模式和位置。为此，通常设计相对简单的元件级测试物品来研究特定的故障模式，随后用于开发用于更高级别测试的预测能力，以及最终的复合材料结构。在这些和所有其他用作积木式方法一部分的试片中，材料、制造和检验方法应与复合结构生产中使用的相同。
在设计复合材料自行车车架时进行的元件级测试的示例包括复合材料管弯曲测试、管与凸耳粘合测试和座管/柱连接测试。然而，由于对子部件（自行车架的一部分）以及部件级（完整）自行车架进行测试的可负担性，元件级的测试可能会受到限制。对于复合材料汽车底盘，可以进行锥形复合材料管压碎试验和关键粘结接头试验。对于复合材料飞机机翼结构，示例包括蒙皮/长桁拉脱试验、层板脱落区域试验和粘结或螺栓连接试验。
积木式的下一级侧重于子组件的测试和分析，通常由代表整个复合结构一部分的组件组成。子部件测试物品的复杂性增加，通常需要更复杂、更昂贵的测试夹具和加载框架来产生代表整个复合材料结构内的加载和边界条件。此外，使用试验品和载荷进行子部件测试，旨在产生特定的故障模式或特定位置的故障，以用于进一步验证分析方法。同样，可以进行测试来评估损伤容限和维修的有效性。除了准静态加载至失效外，还通常进行循环疲劳加载。
图2. 复合材料汽车底盘的元件和子部件级试样示例。
在设计复合材料自行车车架时进行的子部件级测试的示例包括前管/凸耳弯曲测试和底部支架扭转测试。对于复合材料汽车底盘，示例包括图2所示的复杂锥形结构的压碎测试，以及保险杠横梁总成和门槛与地板连接处的动态测试。对于复合材料飞机机翼结构，示例包括金属凸耳与翼梁接头的测试、翼梁的测试以及多长桁机翼壁板的测试。
图1. 所示的积木金字塔的顶层，称为组件层，在复合组件代表整个结构的情况下，也用作全尺寸层。在这个积木块级别，完全组装的组件会受到一系列负载情况的影响，以研究通过结构的负载路径以及由此产生的故障模式和位置。负载情况和故障模式也可以通过在组件级别进行的分析和既定的行业标准测试来识别。将测试中获得的测量挠度、应变和由此产生的失效位置和模式与分析预测进行比较。我们三个示例应用程序的组件级测试将以三个复合材料结构为例：复合材料自行车车架、复合材料汽车底盘和复合材料飞机机翼结构。
在每个积木块级别进行的测试数量取决于复合材料结构的尺寸、关键性和复杂性。对于相对较小和简单的复合材料结构，可能需要进行更多的子部件和部件级测试，因此可以减少试片和元件测试的数量。同样，在开发相对较小和简单的结构时，可能会减少对分析方法使用的关注，而更加强调测试。以我们的三个应用程序为例，在开发复合材料自行车架时，可能会进行更多的子组件和组件级测试，而较少关注试片级和元件级测试以及分析，但在开发复合飞机机翼时，会更加关注较低级别的积木块测试和分析。正如这三个示例应用程序所示，在选择在构建块的每个级别执行的测试范围/数量时，存在相当大的灵活性。
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》
杨超凡
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7月7号发出的《复材汽车零件制造》，在第7页“该车的生产速度为每天29台，预计使用寿命为4200台。”这段文字更改为：“该车的生产速度为每天20组套件，预计生命周期内总产量将达到4200组套。”
