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1、第2 8 卷第1 0 期 2 0 0 7 年1 0 月 纺织学报 J o u m a l 。l e x t 】km s e ar ( _ h V 0 1 2 SN o1 0 0 m2 0 0 7 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 l 2 0 0 7 j 1o - n ) 4 2 一。4 三维机织复合材料的弯曲疲劳性能 戎琦,邱夷平 ( 东华大学纺织学院上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要在材料测试系统M T s 上,采用王点弯曲加载由式对超厚二维止交机织复合材料( 玻璃纤维,小饱和聚酯) 分别进行静态及疲劳试验对该材料的疲劳性能进行探索和预测。结果表明材料的疲劳衰坐主要分为3 ,卜阶段:
2、产生小裂纹的丰J J 始阶段;损伤累1 = 【! 扩张阶段;材科刚度加速退化。披劳破坏阶段。材料中纤维的体积含量不仅对其 静态力学性能影响根大对弯曲疲劳性能同样起到决定性作用。通过对弯曲疲劳加载后的剩余模量进行理论分 析,骑证r 理论分析和实验数据之间的一致| 生,为实际预测复台材料剩余模量提供了依据。 关键词超J 譬三维证交复台材料;三点弯曲试验:疲劳性能;理| 色曲线 中图分类号:T B 3 3文献标识码:A B e n d i n gf h t i g u eb e h a V i o ro f3 - Dw o V e nc o m p o s i t e s R O N GQ i ,Q
3、 I UY 耐”g ( 豫8o ,硫如,协啦洳眦m 毋赫B 耐口2 0 1 6 2 0 ,C f w ) A b s t r a c tT h e3 一p o i n tb e n d i “g e s tw a 5p 8 d n m e do nM a t e 矗a lT e s t i 。塌s y s t e m ( M T S ) t oi n v e s t i g a t et l l 8q u a s i s t m I ca n df a t i g l l eb e h a v i o ro fu l t r a - t h j ( k3 一Do h o g o n a lw
4、o v e n m I 厕t e s ( g l a s s ,u n s a t u 碍t e dr e s i n ) ,w h i c h a i m e d1 0p 他d i c tt h ef a I j g u 8p m p e r 哼o ft h i sm a t e d a l T h er e s I l l t sr e v e a l e dt h a It hr a l i g u ed 。梆d a t i o no ft h e m a t e d a ji n c l u d e s 出r e es t 8 9 e s :m i c r 0 一c r a c k3
5、p p e a 卉“ga ti n 沁a Is 【8 9 c ,aI o “gp r o c e s s 甜o I kp r o p 8 9 a u o na n d f a i 舭ef a i l u r eo ft h em a l e d a la R e rs u f f e n gc h ee x t 啪r d l n a r yd e g m d a t i o n0 fs t 衄1 e s s I na d d i t i o n ,t h e 矗b e 。 v o l u m el h c t i o n so fc o m p o s l t e sh a v 8g r e
6、a ti “1 p a c to nt h 。q u a s i s t a t i cm c c h a n i c a lp m p e n ya n dp 1 8 yad e c i s i v e r 0 I ei nt h ef a t i g u eb e h a v i o r C o 。p a d s o I l sm a d eb e t w e e ne l p e d m 衄t a ld a t aa n dat h e o r e t i c a lf a “g u em o d e ls h o w g o o da g r e e m e n t ,w h i c
7、h 【= a nb eu s e dt op r e d l c tt h ef a t i g u er e s i d u a lm o d u l u so fc 。m P o s i t e s K e yw o r d s u l t r a t h i c k3 一Do n h o g o n a lw o v e nc o “l p o s “e s ; 【 l r e c p o i n tb e n d m gt e 吼;f a t i g u ep r o p e l t y ; t h e o r e t i c a lc u r v e s 随着纺织复合材料优异性能和减
8、重效果的突 显,其应用几乎渗透到所有的技术领域,尤其在航空 航天领域的应用更为广泛。复合材料的强力及韧性 与一般的金属材料相比要高得多,而质量则要轻很 多,但是,复合材料也存在着一些缺点。例如,二维 结构的层合板易分层,其面外强力较小。三维结构 复合材料的发展,不仪提高了材料层问剪切的性能, 减少了分层,还提高了厚度方向的强力及韧性。 近几十年来,对复合材料的静态力学性能的研 究已非常成熟,而对材料疲劳性能的研究还不够深 入,对超厚三维正交结构复合材料疲劳性能的研究 则更少。材料在疲劳状态,其结构会在某种程度上 受到破坏,因此,其疲劳强力要小于静态强力。复合 材料的疲劳性能不同于其他各向同性的
9、材料,他在 疲劳初期就已经存在微小裂缝,但仍能承受载荷直 到完全破坏。以往的研究表明:复合材料层合板的 疲劳破坏机制是一个复杂的过程,他包括纤维的断 裂、树脂的破坏及分层”等。从其破坏的现象看,疲 劳破坏可以通过剩余强度”。1 7 。o 及刚度。“”1 的减 少来表示。剩余强度用于衡量疲劳破坏是具有一定 意义的,但这种方法只有通过破坏材料来获得,而剩 余刚度则无需破坏材料,还能对疲劳破坏的发展进 行跟踪。 本文主要对超厚= 三维正交机织复合材料( 玻璃 收稿日期:2 0 0 6 一I ) 4 0 7修回日期:2 【】0 6 一0 7 1 4 作者简介:戎琦( 1 9 8 2 一) ,女,硕士生
10、。研究方向为超厚三维机织复合材料。邱轰平,通讯作者,E m a n :y p q 1 6 3c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期戎琦等:三维机织复合材料的弯曲疲劳胜能 纤维不饱和聚蘸) 的弯曲疲劳性能进行研究,在对 剩余刚度进行分析的基础上对其疲劳性能进行 预测。 1 理论分析 在受到疲劳加载的过程中,材料的模量会随疲 劳次数的增加而逐渐减小,材料的疲劳加载过程就 是其剩余模量逐渐减小的过程。 设F ( n ) 为经n 次疲
11、劳后的剩余模量( 刚度) , 把剩余模量( 剐度) 的下降速率川第n 次加载时的 函数“来表示 d F ( n ) d n = 一点( O ) ( ) 口n 卜1( 1 ) 式中:n 为加载循环次数;E ( 0 ) 为初始模量;p 和w 是根据加载应力、加载频率、应力比及环境变化的随 机变量。 把循环载荷次数n 和”:代入式( 1 ) ,得到 F ( 啦) = F ( n ,) 一E ( O ) Q ( n ;一n :) ( 2 ) 使式( 2 ) 中的n = O ,n := n ,得到 E ( n ) = ( O ) ( 1 一( ) n 。)( 3 ) 设口( 女) 和。( ) 是试样加载
12、吼时的Q 和。值, 则式( 3 ) 改写为 E ( n ) = E ( o ) 1 9 ( 七) R “” ( 4 ) 在边界条件n = n 。时,即( n ) = 靠( n 。) ,由 式( 4 ) 可得到0 ( ) 和”( ) 的关系式 蛳) = ( t 一畿舭“ ( 5 ) 将式( 5 ) 代人式( 4 ) 得到 E ( n ) = E ( o ) 一 E ( O ) 一E ( R 。) ( n ,n 。) “ ( 6 ) 对式( 6 ) 进行线性变换,得 l n E ( o ) 一F ( n ) F ( 0 ) 一F ( n 。) = 口( ) l n ( H n 。) ( 7 ) 通
13、过对试验中测得的刚度E ( O ) ,E ( 1 ) , E ( m ) ,E ( n ) 进行线性回归,可求得经纬向的 “ ( ) 分别为O 8 3 6 和O 5 5 5 。 2 试验材料及制备 玻璃纤维,不饱和聚酯复合材料是用24 0 0t “的 玻璃纤维作经纬纱,1 1 0 的芳纶( T w a m n 。) 作为z 方向的绑定纱并经三维正交织机制成预制件,通过 v A R T M 技术加工成型。经差热分析法得到经纬向 的纤维体积比分别是2 1 1 ,2 8 5 ,z 绑定纱占 2 7 。 试样尺寸为2 0 0m m 2 5H nx1 5r n H l ,三点弯曲 静载和疲劳试验均在材料
14、测试系统M T s8 1 0 2 3 上 完成,参照c B f r 】4 4 9 2 0 0 5 进行试验。 3 三点弯曲静载和疲劳试验 三点弯静态试验采州三点加戴简支粱方法,加 载速度为3n l I ”,m i n ,跨距为1 5 ( ) m m 。 三点弯曲疲劳试验采用等幅稳定多次蕈复加 载。在疲劳加载过程中,每隔50 0 0 次停止疲劳加载 进行1 次静载试验,分别测试载荷及位移。并观察试 样的破坏情况。 经纬向的静态弯曲极限载荷分别为1 0 、 1 3 5k N ,因此分剐取3 8k N 及4 一I Ok N 为各自的 疲劳上、下限,廊力比尺为0 4 ,加载频率25H z 。 通过疲劳
15、试验,可以得到刚度退化值( s D ) ,计 算公式为 s 口:鱼;垒1 0 0 : ( 答) 。嚆) ( 筹) 。 ( 8 ) 式中:蜀,为初始弯曲模量;E 。为加载n 次后材料的 弯曲模量;P 为最大载荷与最小载荷之间的差值; d 为对应最大载荷与最小载倚的位移差值。 4 结果与分析 4 1 静态弯曲 经纬向弯曲载荷位移曲线如图1 所示。在相同 载荷下,经向的位移较大,纬向的位移较小,这是由 材料经纬向纱线密度不同造成的。试样最外层发生 拉伸破坏,以基体开裂、纤维拉伸断裂和抽拔为主; 压头接触部位由于局部挤压也发生破坏“。 4 2 弯曲疲劳试验 图2 为试样跨距中点的位移和疲劳次数的关系
16、曲线。在疲劳载荷上、下限时,试样跨距中点的位移 均随疲劳次数的增加呈持续增长。存疲劳试验的初 始阶段,位移随疲劳次数的增加变化剧烈,原因是材 料存存缺陷和小孔洞,导致在初始阶段就产生小裂 纹“ ,随着损伤的累积,位移迅速增加;在此之后变 化比较平缓,但总的趋势是随疲劳次数的增加而增 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第2 8 卷 趸 颦 量薛 图1三点弯曲静态载荷位移曲线 F 味1L 0 a d d 1 5 p l a c e m e n t
17、 e so ft h r e e p o m l b e n d l “gt e s t 加,这个阶段主要是裂纹缓慢扩展的过程,复合材料 和金属材料不同,虽然早期疲劳损伤就已分布在复 合材料的广大体积范围内,但是疲劳损伤的扩展速 度非常缓慢;疲劳试验的最后阶段,材料应变迅速增 加直至最终疲劳破坏。 图2 试样跨距中点的位移和疲劳 次数的关系曲线 魄2D 印 a c e r n t ( c e n k 7p o - n i 。fs a m p l e ) f a e l g u eI o 丑d l “gn u m b e rc u H e s 试验的刚度退化曲线如图3 所示,与试样跨距 中点的位
18、移和疲劳次数的关系曲线一致,在疲劳试 验初始阶段,材料刚度退化较快,随后材料经历较长 的损伤累积过程,刚度退化比较缓慢,当疲劳次数达 到1 0 万次左右,材料刚度退化至初始刚度的8 5 左 右,随后刚度退化速度逐渐加快,直至材料最终破 坏。刚度退化过程贯穿整个疲劳试验,这种逐渐“软 化”的特性,从安全设计的角度看具有很大意义,刚 度的变化提供了疲劳损伤的早期征兆。 理论剩余刚度曲线( 见图4 ) 表明,在一定程度 上,试验值与理论值拟合较理想。 综上所述,虽然纤维增强复合材料疲劳损伤在 早期就已出现,但仍需很长时间才能完全破坏;纬向 由于纤维含量较高,刚度较大,其疲劳性能明显优于 经向;随着材
19、料刚度的提高,疲劳性能将大大改善。 婆 捌 单 赠 毯 甚 魁 最 谣 蘸 篁 丑 图3 试样的刚度退化曲线 聃3F u e s 。fs t i e s sd 8 9 r a d a n o n 图4 经向试样剩余弯曲刚度的理论值 与试验值的比较 F 1 9 4 C o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e 而m e n t a la n dt h e o r e t l c a l r e s i d u eb e n d l “gs t l 骱e s 8 5 结论 1 ) 整个疲劳试验,超厚三维正交复合材料经历 了3 个阶段:疲劳加载初期,弯曲刚度退化较快
20、,主 要是由复合材料小裂缝所致;第2 阶段刚度退化趋 于缓慢,这个过程较长;当弯曲刚度退化至某个临界 值( 初始刚度的8 5 左右) 后,刚度退化再次加速, 材料性能发生突变直至破坏。 2 ) 纬向疲劳性能优于经向。纤维含量对材料的 疲劳性能有很大的影响,刚度的提高大大改善了材 料的疲劳性能。 3 ) 剩余刚度的理论预测值在一定范围内和试验 值拟合较好。蝴 参考文献: 1 邓增杰,周敬恩工程材料的断裂与疲劳 M 】北京: 机械工程出版社,1 9 9 5 :2 6 3 2 7 1 2 H a l l aHT , K i mR YP 啪f t e s “g o fc o n l 叫l t e m
21、a t e n a k J Jc o mM a t ,1 9 7 5 ( 9 ) :2 9 7 3 1 l ( 下转第5 3 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期刘亚等:聚乳酸熔喷非织造布的研制 u n l t l k a P o l y l a c t i cb i o d e g r a d a b l e讪e r 凹胡u c I slJ c h m i c dF i b e nh l t 嘣I 时i o n 甜,1 9 9 9
22、,4 9 ( 1 ) :5 张国栋,杨纪元,冯新德,等聚乳酸的研究进展! J 化学进展,2 0 ( ) o ,1 2 ( 1 ) :8 9 1 0 2 周美华,徐静波乳酸和聚乳酸的研究进展 J 中国 纺织大学学报,2 0 0 0 ,2 6 ( 5 ) :1 1 1 一1 1 4 赵耀明,麦杭珍可生物降解聚乳酸非织造布 J 产 业用纺织品,2 0 0 1 ,1 9 ( 4 ) :3 l 一3 3 徐超武,王雪华聚乳酸( I ,L A ) 纤维的生产和开发臆 用 J J 四川丝绸,2 0 0 6 ( 1 ) :2 6 2 8 h t t p :l I a t u d U c c o 【,c o r
23、 p o m t e ,n w 一脚k 一 ( 上接第“页) 5 3 h o m e a s n 9j Y 蛐z ,B T e s e eR RF 1 e x i H e1 1 1 u h i h m n m ni n n r u l T 岵mh a u t o 瑚t e d o 啪sw e hs ”u c l u r ea n a l y s l s J T ( 【l i e R e m hJ 0 u m a 】,1 9 9 4 ,6 9 :7 9 5 8 n 4 1 1 0J H u 8 呜xc ,B eRRc h 盯a c t e 舢gn o j l e r lw e b 栅c t s
24、l “gi m 8 9 e a n a l y s 】st e c h n i q 肝8 ,P a nI :p o r e a n 越y s l si n 【h mw c b s J J o u m 鲥甜N v e n sR e s e a M b , 1 9 9 3 ( 1 ) :1 3 2 1 【1 1J H 3 y n e sB ,M i 山g a nME 1 p e t di n v e s t 追“o n “m e l I b l o w j 职。J I N D AJ 咖“0 fN o n w 0 啪sR e s h ,1 9 9 1 ( 4 ) :2 0 一2 5 3 H a n
25、aHT ,鼬mRYF 丑t i g 啤b e h a v ro fc o m p 。s i l e l a m i r m 把s J Jc o M 丑t 1 9 7 6 ( 1 0 ) :1 5 6 1 8 0 8 4 A w e 抽c hJ I a n aHT F a d g l 】ea n dp r 肿ft 档t i n go f L l I l i d i r e 曲o n a lg m p h l t e ,。p o x yc o m 呻s i t e c ,R e 低n i d e rK L , h u r d 酶KN F 砒i g u e o f F i h m e 力t a 璀C
26、 P 0 s i t e M a I e d 出s A 耵MS 6 3 6 ,1 卯7 :2 4 8 2 6 6 5 H a 坤HT F 日t i g u eb e h a v i T l dH f ep r e d i c 【j o f c o 瑚p 0 el a l l l l n a t e sl c ,T s a isw c o p o s 沁M a 州出 T e s t i n g dD e s 和( F i 舳C o n f ) A s T Ms 仰6 7 4 ,1 9 7 9 : 3 8 3 4 1 7 6 O B 五e nTK ,R e i 缸l i d e rKLF 舭;g
27、L I ed a m a g ee v a l I 脚j o n 血n 儿J 曲s 曲h e s s 删n t 0 fb o m n _ 8 p 傩y1 a m i n a 8 J JC o m M a t ,1 9 8 1 ( 1 5 ) :5 5 7 0 7 jB 删】t m n nLJ ,s a l l us 目陀s s h ed 锄8 9 。0 fa 醇a 娼 r e i n 觚e dp l 鹩t i cd u 一”g t i g u e J 2 4 I hA n n u a lR P ,c 1 9 1 0 1 2 C o 一C P I 。1 9 蚪:5 567 Y a n gJN ,
28、D uSA ne 。p k r a t o r ys t u d yi n E ot h ef a t i g u eo f c o m 舯s i t 梆u n d e r s p e c t r u ml o a d j ”g J Jc o mM 乩,1 9 8 3 “7 ) :5 l l 一5 2 5 c h o nI c s c a l ed I ti nf a l g u c0 fc 砌p o s i t e m a t e d a l s J J JC o mM a 【,1 9 7 9 ( 1 3 ) :1 7 8 1 9 4 W 卸gSS ,G o e 【zPP ,C o n e
29、nHT s h e a rf a t i g u 8 d e m d a t i o na n df r a c 【u r e o fr a n d o ms h o n 砧r eS M C c o m p o s i t e s J :,Jc o mM a t ,1 9 8 4 ( 1 8 ) :2 2 0 Y 们gJN ,J o n e sDL ,Y 8 I l gSH e ta 1 As t i 玎h e s s d e 舯d a l i o 刀m o d df o rg m p b i l e ,。p o x y1 a m i n a t e s J Jc o m M a t 1 9 8 7 ,2 4 ( 6 ) :7 5 3 7 6 9 袁国青,黄争鸣,董国华单向机织物增强复合材料层 合粱弯曲破坏规律 J 同济大学学报:自然科学版, 2 0 0 5 ,3 3 ( 6 ) :7 9 4 7 9 9 3 4 5 6 7 8 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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