復(fù)合材料沖擊損傷的案例
『分享』層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(數(shù)值分析).
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(數(shù)值分析).
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層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究宏觀(破壞準(zhǔn)則).pdf
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關(guān)的材料（包括纖維和樹脂）研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)還是工藝制造和維護(hù)問題，碳纖維復(fù)合材料一進(jìn)入解決輕量化需求的高端應(yīng)用，遇到的技術(shù)關(guān)鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復(fù)合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應(yīng)用的發(fā)展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個(gè)試圖把碳纖維用于高端應(yīng)用——在1967年開始研制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣風(fēng)扇葉片的吃螃蟹者，當(dāng)然失敗的原因很多，但很重要的一個(gè)原因是復(fù)合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗(yàn)，致使英國在碳纖維復(fù)合材料發(fā)展中失去了先機(jī)，退出了領(lǐng)先的地位。1970年代初國際石油危機(jī)爆發(fā)，民用飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關(guān)注。為解決新材料應(yīng)用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經(jīng)試用考核后，對(duì)這些擾流板進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料部件出現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)）。自此復(fù)合材料沖擊損傷就成了復(fù)合材料技術(shù)中的核心問題之一。
2 復(fù)合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強(qiáng)度研究和應(yīng)用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)引起的，當(dāng)時(shí)關(guān)注的外來物主要是地面和空中飛行時(shí)的冰雹和跑道碎石，都是在結(jié)構(gòu)受載時(shí)受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強(qiáng)度，采用的設(shè)備是由壓縮裝置對(duì)受壓縮載荷的復(fù)合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復(fù)合材料試樣的壓縮應(yīng)變（由壓縮載荷控制），試驗(yàn)結(jié)果是沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關(guān)的材料（包括纖維和樹脂）研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)還是工藝制造和維護(hù)問題，碳纖維復(fù)合材料一進(jìn)入解決輕量化需求的高端應(yīng)用，遇到的技術(shù)關(guān)鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復(fù)合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應(yīng)用的發(fā)展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個(gè)試圖把碳纖維用于高端應(yīng)用——在1967年開始研制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣風(fēng)扇葉片的吃螃蟹者，當(dāng)然失敗的原因很多，但很重要的一個(gè)原因是復(fù)合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗(yàn)，致使英國在碳纖維復(fù)合材料發(fā)展中失去了先機(jī)，退出了領(lǐng)先的地位。1970年代初國際石油危機(jī)爆發(fā)，民用飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關(guān)注。為解決新材料應(yīng)用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經(jīng)試用考核后，對(duì)這些擾流板進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料部件出現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)）。自此復(fù)合材料沖擊損傷就成了復(fù)合材料技術(shù)中的核心問題之一。
2 復(fù)合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強(qiáng)度研究和應(yīng)用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)引起的，當(dāng)時(shí)關(guān)注的外來物主要是地面和空中飛行時(shí)的冰雹和跑道碎石，都是在結(jié)構(gòu)受載時(shí)受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強(qiáng)度，采用的設(shè)備是由壓縮空氣系統(tǒng)裝置對(duì)受壓縮載荷的復(fù)合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復(fù)合材料試樣的壓縮應(yīng)變（由壓縮載荷控制），試驗(yàn)結(jié)果是沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線。
展開 復(fù)合材料沖擊損傷自動(dòng)建模程序
composite impact.rar
初學(xué)python做了一個(gè)復(fù)合材料沖擊損傷的自動(dòng)建模程序，
程序使用說明如下：
1.程序還有待完善。目前只支持矩形板，矩形網(wǎng)格。
2.可以選擇3D實(shí)體單元及2D連續(xù)殼單元，但是如果用3D實(shí)體單元需要自己編寫VUMAT，這里就不上傳VUMAT了，大家自己努力編吧。
3.自動(dòng)生成的有限元模型是沒有邊界條件的。自己需要手動(dòng)添加邊界條件
4.輸出變量需要自己去設(shè)置。
5.需要先創(chuàng)建材料或者從自己的材料庫中導(dǎo)入材料。
6.鋪層參數(shù)可以從文本文件直接導(dǎo)入，在鋪層表格出點(diǎn)擊右鍵會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)入對(duì)話框。
7.可以根據(jù)需要選擇是否增加cohesive elements。
補(bǔ)充說明：第一次上傳的附件有一個(gè)問題，就是用CompositeLayup直接生成實(shí)體單元是不能用在abaqus/explicit中的，提交計(jì)算會(huì)出錯(cuò)，現(xiàn)在已經(jīng)將程序完善，附件已經(jīng)更新。
直接將壓縮包解壓縮后放到plugin文件夾下即可。
composite_imoact_en.rar
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『原創(chuàng)』誰能談?wù)勅绾斡肁NSYS分析復(fù)合材料沖擊損傷么？
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聯(lián)合使用Hetval和USDFLD模擬三維編織復(fù)合材料沖擊損傷生熱
三維編織復(fù)合材料具有復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，附件文獻(xiàn)對(duì)三維編織復(fù)合材料沖擊損傷生熱進(jìn)行了細(xì)致的研究。他們分別建立了樹脂基體和纖維束，再進(jìn)行幾何體的組裝，如下圖所示：
用這種方式建立的三維模型，建模比較復(fù)雜，網(wǎng)格的劃分也特別費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很容易出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況，在此推薦另一鐘做法，直接用USDFLD定義場(chǎng)變量的方式，區(qū)分樹脂基體和纖維束，用這種方式建模的模型如下所示：
詳情可以參考這篇文獻(xiàn)：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017341595?via%3Dihub。
三維編織復(fù)合材料吸濕性能有限元分析.pdf
對(duì)于某種特定材料，有許多種損傷準(zhǔn)則可以選擇。文獻(xiàn)認(rèn)為，在準(zhǔn)靜態(tài)情況下溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系為：
其中，k是熱傳導(dǎo)率，T是絕對(duì)溫度，C是比熱，a是熱膨脹系數(shù)，r和u是彈性常數(shù)，p是密度。
此外，在沖擊情況下溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：
b為材料相關(guān)的系數(shù)，對(duì)于雙酚樹脂，取值為0.25。
基于上述熱力耦合的本構(gòu)模型，工作室通過聯(lián)合USDFLD和Hetval子程序，實(shí)現(xiàn)了考慮沖擊損傷的熱力耦合本構(gòu)模型，得到的結(jié)果如下圖所示：
詳細(xì)信息參看文獻(xiàn)：
熱力關(guān)系文獻(xiàn).pdf
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展開 限時(shí) | 《Abaqus 復(fù)合材料VUMAT子程序詳解》
課程介紹
《Abaqus 復(fù)合材料VUMAT子程序詳解》
本課程將詳細(xì)介紹復(fù)合材料結(jié)構(gòu)VUMAT子程序的原理、編寫方法，并詳細(xì)介紹在復(fù)合材料失效分析方面的應(yīng)用案例。
章節(jié)1：初識(shí)VUMAT子程序
章節(jié)2：正交各項(xiàng)異性復(fù)合材料失效分析子程序源代碼詳解（可提供源代碼及CAE文件）
章節(jié)3：vumat子程序的使用方法詳解（復(fù)合材料沖擊損傷模型建模+三維VUMAT子程序）
章節(jié)4：vumat子程序計(jì)算后結(jié)果如何查看？
章節(jié)5：分分鐘創(chuàng)建適用于復(fù)合材料子程序的沖擊損傷模型
章節(jié)6：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常用的三種剛度退化方式
章節(jié)7：如何調(diào)試Abaqus子程序
章節(jié)8：應(yīng)變局部化(strain localization)與單元特征長度(characteristic length)
章節(jié)9：基于能量（斷裂韌性）演化的三維復(fù)合材料vumat子程序（不提供源代碼及模型文件）
章節(jié)10：斷裂韌性退化方式中單元特征長度注意事項(xiàng)
章節(jié)11：兩種及以上自定義VUMAT/UMAT子程序的調(diào)用方法
限時(shí)優(yōu)惠
原 價(jià)：150元
限時(shí)優(yōu)惠價(jià)：120元
活 動(dòng) 限 額：限前10名領(lǐng)取
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展開 abaqus復(fù)合材料與cohesive完整版教學(xué)視頻發(fā)布
目前已完成abaqus復(fù)合材料建模基礎(chǔ)篇和cohesive兩個(gè)系列視頻錄制，點(diǎn)擊以下鏈接可直接進(jìn)入技術(shù)鄰學(xué)院視頻播放頁面:
abaqus復(fù)合材料系列基礎(chǔ)篇
abaqus cohesive系列教學(xué)視頻
其中，復(fù)合材料系列主要介紹使用abaqus 軟件分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，共6個(gè)視頻。
章節(jié)1.abaqus內(nèi)嵌的hashin漸進(jìn)失效模型使用方法
章節(jié)2.自帶的多種復(fù)合材料層壓板失效判據(jù)，如Tsai-Wu 、Tsai-Hill、Azzi-Tsai-Hill、Maximum strain以及Maximum stress等。
章節(jié)3.教你分分鐘建立復(fù)合材料有限元模型
章節(jié)4.教你分分鐘建立復(fù)合材料沖擊損傷有限元模型（視頻中的錯(cuò)誤信息已在程序源代碼中更正，可自行下載）
章節(jié)5.復(fù)合材料圓筒件建模詳解，講述了殼單元/連續(xù)殼單元圓筒件的建模方法。
章節(jié)6.Abaqus中三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真分析案例
abaqus cohesive系列主要介紹Abaqus軟件中cohesive 單元及surface-based cohesive的建模方法以及注意事項(xiàng)，共7個(gè)視頻。
章節(jié)1:abaqus 二維cohesive單元建模詳解
章節(jié)2:abaqus三維cohesive單元建模詳解
章節(jié)3:abaqus surface-based cohesive應(yīng)用案例
章節(jié)4:二維surface-based cohesive注意事項(xiàng)
章節(jié)5:幾種創(chuàng)建零厚度cohesive單元的方式
章節(jié)6:如何在Abaqus/explicit中使用surface-based cohesive
章節(jié)7:cohesive本構(gòu)參數(shù)詳解
另外，歡迎關(guān)注“復(fù)合材料力學(xué)”微信公眾平臺(tái)，內(nèi)有大量復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料，中文搜索“復(fù)合材料力學(xué)”即可。
展開 技術(shù)鄰學(xué)院:abaqus復(fù)合材料與cohesive教學(xué)視頻發(fā)布
目前已完成abaqus復(fù)合材料建模基礎(chǔ)篇和cohesive兩個(gè)系列視頻錄制，點(diǎn)擊以下鏈接可直接進(jìn)入技術(shù)鄰學(xué)院視頻播放頁面:
abaqus復(fù)合材料系列基礎(chǔ)篇
abaqus cohesive系列教學(xué)視頻
其中，復(fù)合材料系列主要介紹使用abaqus 軟件分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，共7個(gè)視頻，總時(shí)長1小時(shí)52分鐘。主要章節(jié)如下
章節(jié)1.abaqus內(nèi)嵌的hashin漸進(jìn)失效模型使用方法
章節(jié)2.自帶的多種復(fù)合材料層壓板失效判據(jù)，如Tsai-Wu 、Tsai-Hill、Azzi-Tsai-Hill、Maximum strain以及Maximum stress等。
章節(jié)3.教你分分鐘建立復(fù)合材料有限元模型
章節(jié)4.教你分分鐘建立復(fù)合材料沖擊損傷有限元模型（視頻中的錯(cuò)誤信息已在程序源代碼中更正，可自行下載）
章節(jié)5.復(fù)合材料圓筒件建模詳解，講述了殼單元/連續(xù)殼單元圓筒件的建模方法。
章節(jié)6.abaqus自帶的復(fù)合材料三維實(shí)體單元建模詳解。
章節(jié)7.復(fù)雜曲面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)置
abaqus cohesive系列主要介紹Abaqus軟件中cohesive 單元及surface-based cohesive的建模方法以及注意事項(xiàng)，共7個(gè)視頻，總時(shí)長1小時(shí)39分鐘。 主要章節(jié)如下：
章節(jié)1:abaqus 二維cohesive單元建模詳解
章節(jié)2:abaqus三維cohesive單元建模詳解
章節(jié)3:abaqus surface-based cohesive應(yīng)用案例
章節(jié)4:abaqus 二維surface-based cohesive 注意事項(xiàng)
章節(jié)5:cohesive 本構(gòu)參數(shù)詳解（即將更新）
章節(jié)6:如何在Abaqus/explicit中使用surface-based cohesive
章節(jié)7:cohesive本構(gòu)參數(shù)詳解
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Abaqus小球沖擊復(fù)合材料損傷教程 ￥39.9
視頻下方附帶工程文件inp，大家可以自行下載學(xué)習(xí)參考
聚合物基復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)解讀及主要挑戰(zhàn)分析
在航空航天、新能源汽車、風(fēng)電等高端制造領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料憑借高比強(qiáng)度、高比模量、輕量化等優(yōu)異特性，成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心材料。但這類材料存在一個(gè)關(guān)鍵短板——對(duì)沖擊損傷異常敏感：微小的面外沖擊（如冰雹撞擊、工具墜落、碎石撞擊），就可能在材料內(nèi)部造成分層、基體裂紋等難以目視察覺的損傷，進(jìn)而大幅降低其承載能力，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。
在此背景下，“沖擊后壓縮”（Compression After Impact, CAI）性能測(cè)試，成為復(fù)合材料研發(fā)、質(zhì)量控制、選型決策中不可或缺的核心環(huán)節(jié)，更是連接實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)與市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。
Background
什么是CAI測(cè)試？
很多人將CAI測(cè)試誤解為單一的沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)則不然——它是一套完整的系統(tǒng)性能評(píng)估流程，核心目的是模擬復(fù)合材料在實(shí)際服役中“遭遇低能量沖擊后繼續(xù)承載”的嚴(yán)峻工況，精準(zhǔn)考核材料受損后的剩余壓縮強(qiáng)度。
其測(cè)試邏輯可概括為兩步：
第一步，通過標(biāo)準(zhǔn)化的落錘沖擊或準(zhǔn)靜態(tài)壓痕方法，在復(fù)合材料層合板試樣上引入可控、可重復(fù)的損傷，模擬實(shí)際使用中可能遇到的沖擊場(chǎng)景；
第二步，將已產(chǎn)生損傷的試樣固定在專用支撐夾具中，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)直至失效，最終測(cè)定其壓縮殘余強(qiáng)度，以此判斷材料在受損后的結(jié)構(gòu)可靠性。簡(jiǎn)單來說，CAI測(cè)試就是給復(fù)合材料做“抗沖擊后的耐力測(cè)試”，直接決定材料能否在復(fù)雜工況下安全服役。
Standard
檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)解讀
當(dāng)前，業(yè)界普遍遵循ASTM D7136（落錘沖擊）與D7137（壓縮殘余強(qiáng)度）標(biāo)準(zhǔn)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了從試樣制備、沖擊引入到最終壓縮測(cè)試的全過程。
1. 核心試樣
標(biāo)準(zhǔn)推薦針對(duì)厚度為4.0至6.0毫米,建議厚度為5mm的層合板進(jìn)行測(cè)試，鋪層方式對(duì)結(jié)果有決定性影響。
展開 復(fù)合材料有限元分析中如何計(jì)算損傷包絡(luò)面積？（附工具） ￥500
復(fù)合材料因其組份的多樣性和各向異性，導(dǎo)致其構(gòu)件設(shè)計(jì)制造階段和服役使用階段極易產(chǎn)生缺陷或損傷。在復(fù)合材料制作和固化過程中往往存在很多人為因素和工藝質(zhì)量的不穩(wěn)定性，這使得復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量具有一定的隨機(jī)性。另外，在使用過程中，復(fù)合材料對(duì)沖擊損傷非常敏感，如鳥撞、跑道砂石撞擊、工具掉落等都有可能造成復(fù)合材料損傷。這些缺陷和損傷往往在材料表面毫無目視可見的痕跡，而在材料內(nèi)部卻出現(xiàn)纖維斷裂、分層、脫粘等缺陷和損傷，大大降低了構(gòu)件的承載能力。
為了及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)出材料內(nèi)部的缺陷和損傷，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)材料、結(jié)構(gòu)的可靠性奠定基礎(chǔ)，就需要引入無損檢測(cè)。目前，針對(duì)復(fù)合材料常用的無損檢測(cè)方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學(xué)法、微波法和聲發(fā)射法等。
對(duì)于做有限元分析的人來講，在預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，需要將計(jì)算所得的損傷包絡(luò)及損傷包絡(luò)面積與無損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。那么，如何在有限元分析結(jié)果中獲得準(zhǔn)確的損傷包絡(luò)及包絡(luò)面積呢？筆者曾經(jīng)用過最笨的方法是一個(gè)單元一個(gè)單元去數(shù)的，數(shù)來數(shù)去就暈了，今天就介紹以下Abaqus中的操作方法和工具。
一.
展開 復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）測(cè)試關(guān)鍵要點(diǎn)，確保天舟貨運(yùn)飛船飛行安全性
與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，聚合物基復(fù)合材料（PMC）具有更高的性能和柔韌性。然而，這些優(yōu)勢(shì)是采用多種原材料并通過增加材料復(fù)雜性為代價(jià)的，因而對(duì)于這些材料的測(cè)試也帶來了一定的挑戰(zhàn)。
材料特性的基本表征包括在不同的載荷條件下進(jìn)行一系列試驗(yàn)——拉伸、壓縮、剪切和彎曲。復(fù)合材料具有各向異性（即力學(xué)性能取決于方向）和不均勻性（即材料成分不均勻，如增強(qiáng)纖維與樹脂基體）。對(duì)于關(guān)鍵的復(fù)合材料應(yīng)用，通常需要進(jìn)行其他更復(fù)雜的試驗(yàn)來確定材料在使用條件下以及在典型環(huán)境中的耐久性。比如，評(píng)估航空航天工業(yè)復(fù)合材料沖擊后壓縮（CAI）試驗(yàn)、風(fēng)能行業(yè)疲勞載荷以及汽車碰撞防護(hù)的高速拉伸試驗(yàn)都很重要。
CAI的含義
CAI（沖擊后壓縮強(qiáng)度）實(shí)際上有兩種含義：
1） 評(píng)定含損傷時(shí)的材料性能指標(biāo)；
2） 復(fù)合材料層壓板受沖擊產(chǎn)生損傷后的壓縮強(qiáng)度。前者一定是對(duì)特定的層壓板，在特定條件下得到的含沖擊損傷層壓板的壓縮強(qiáng)度；而后者可以是任意的層壓板（包括結(jié)構(gòu)）在壓縮載荷下的壓縮剩余強(qiáng)度；
由于CAI值不僅用于評(píng)定材料性能的指標(biāo)，同時(shí)也是用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)，因此纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的CAI值測(cè)試越來越重要，隨著人們對(duì)CAI值不斷的理解和深入，由初始僅作為評(píng)定樹脂增韌的標(biāo)準(zhǔn)，到目前已用于從材料研制擴(kuò)展到為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供有關(guān)損傷容限能力的知識(shí)數(shù)據(jù)需求。
CAI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及注意事項(xiàng)
常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7137/D7137M、ASTM D7136/D7136M、ISO 18352，試驗(yàn)機(jī)的同軸度、夾具的選擇以及壓盤的平行度都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大影響。
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