正交复合材料层板冲击拉伸力学性能研究.pdf
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1、2 0 0 6年 6 月 第2 4 卷第3 期 西 北 工 业 大 学 学 报 J o u r n a l o f No r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c a l Un i v e r s i t y J u n e 2 0 0 6 Vo1 2 4 No 3 正 交复合材料层板冲击拉伸 力学性 能研 究 韩 小平 ,曹效 昂,朱西平 ( 西北工业大学 ,陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘 要 : 以C F RP和 G F RP 2种复合材料为例, 研 究正交复合材料在 冲击载荷作 用下的拉伸力学性 能。首 先 , 介 绍 了 Ho p k
2、 i n s o n杆 冲击拉 伸 实验设 备 以及 实验 技 术 , 对 实验 中涉及 的试 件 连接技 术 问 题进行 了分析讨论 , 并提 出了相应对策。推导了应力、 应变的计算公式。对 C F RP、 GF RP层合板进 行 了冲击 拉伸 实验研 究 , 得 到 不 同加 载 率 下 2种层 板 的 应 力一 应 变 ( e ) 曲 线 , 以及 断裂 强度 、 拉 伸 模 量、 断 裂应 变随加 载 速 率的 变化规 律 , 以期 对 复合材料 层板 在 冲 击拉伸 情 况 下动 态力 学行为 和 变 形 、 破 坏机 理获得 初 步 认识 。 关键词 : Ho p k i n s
3、o n杆 , 正 交复合 材料层 板 , 冲击 拉伸性 能 中图分类号 : TB 3 3 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 2 7 5 8 ( 2 0 0 6 ) 0 3 3 3 0 0 4 随着纤维增强复合材料 在航空、 航天、 兵器、 汽 车工业以及其它领域 的广泛应 用 , 研究在动载荷作 用下复合材料的力学性能、 变形和破坏机理愈来愈 受 到 工 程 界 和学 术 界 的 关 注 。 近 年 来 , Ha r d i n g和 We l s h L l 叫 在这方面做了很多工作 , 他们分别对编织 状 C F RP、 GF R P和 K F RP实施冲击拉伸 , 比
4、较不同 纤维增强的复合材料对应 变率的敏感程度 ; 还对不 同纤维含量的复合材料采用不 同编织方法 ( 如平 面 编 织 、 缎 面编 织 等 ) 以及 不 同 的加 载 方 向 ( 增 强纤 维 与外加载荷的取 向不 同) 对应 变率 的敏感程度进行 比较, 研究结果表明, 应变率效应 明显受复合材料增 强结构( 不 同纤维、 不同编织方法) 、 增强纤维和基体 之间的相互作用( 不同纤维含量、 不 同编织方法 ) 的 影响。 在国内, 比较有代表性 的工作是夏源明等L 5 对纤维束及单 向纤维增强复合材料层板的应变率相 关性进行的大量研究 , 建 立 了率相关 、 温度相关 的 宏、 细观
5、统计本构理论 。 还有一些研究人员也做了相 类似的工作L 8 叫 , 取得了一些研究成果。但是 , 总体 来看, 以前的大部分工作 是针对复合材料动态压缩 力学性能进行研究 , 对复合材料动态拉伸力学性能 的研究不 多, 特别是对正交铺层和任意铺层层合板 的冲击拉伸性能研究 , 尚未见报道。 本文对 C F R P、 GF R P层合 板进行 了冲击拉伸 实验研究。介绍 了 Ho p k i n s o n杆冲击拉伸实验设备 以及实验技术 , 推导 了应力一 应 变的计算公式 , 得到 不同应变率下 C F RP 、 GF R P层板的应力一 应变( e ) 曲线, 以及断裂强度、 拉伸模量
6、、 断裂应变随加载速 率改变的规律 , 以期对复合材料层板的动态力学行 为和 变形 、 破坏 机 理有 一个 初步 的认 识 。 1 Ho p k i n s o n杆 冲击拉 伸实验装置及 试 件连接技术 实验材 料 由北 京航空 材料 研究 院提供 , 其 中 C F R P材料构 成情况 : 纤维 T3 0 0 3 0 0 0 B 一 4 0 B, 树脂 QY8 9 1 1 , 铺层为 o +4 5 O 一4 5 O 一4 5 9 0 +4 5 +4 5 9 O 一4 5 O 一4 5 0 +4 5 0 。 GF RP层板是采 用平纹玻璃布和环氧树脂 , 按经纬方 向交叠铺层 , 层 合
7、板在热压罐内中温固化成形 。实验在中国科技大 学近代力学系研制的旋转盘冲击拉伸实验装置上进 行 。图 1 为实验装置的示意图 , 主要由加载系统 、 输 入杆、 输出杆 、 撞块 、 弹塑性前置金属短杆、 瞬态波形 存储器、 动态应变仪等部分组成。 弹塑性前置金属短 杆通过螺纹与撞块和输入杆连接。 收稿 日期 : 2 0 0 5 0 8 0 8 基金项 目: 航空科学基金 ( O O B 5 3 O O 9 ) 资 助 作者简介 : 韩 小平 ( 1 9 5 8 一) , 西北 工业大学教授 , 主要从 事复合材料及其结 构的力学分析研究 。 维普资讯 http:/ 第 3 期 韩小平等 :
8、正交复合材料层板 冲击拉伸力学性能研究 卜双片锤头2 一 块片 3 一 金属短杆 4 一 输入杆 5 一 试件 6 一 输出杆 7 一 应变片8 一 动态应变仪 9 一 波形存贮器 l O 一 微机 图 1 实验 装置示意 图 冲击拉伸实验 中一个关键问题是要消除干扰对 入射波、 反射波和透射波这 3个波形的影响。 拉伸试 件与加载杆之间大多采用螺纹连接 , 两螺纹 间的间 隙以及试件与加载杆螺孔底部的间隙必然会产生干 扰信号, 它们可能叠加在入射 波、 反射波 和透射波 上 , 这样会严重影响数据的采集处理 。 本文采用的方 法是 : 试件和输入杆、 输 出杆之 间用耐冲击胶粘接, 在输入杆
9、和输 出杆接近试件 的端 面加工 出扁平叉 口, 分别在试件的端面和加载杆的扁平叉 口内表面 均匀涂抹粘接胶 , 然后将扁平试件放人叉 口, 仔细对 中后, 按预定的条件 固化 , 完成试件连接 。试件连接 情 况如 图 2所 示 。 输入杆 输出杆 测试段 图 2 试 件连接示意 图 试件与加载杆之间采用 耐冲击胶粘接, 间隙中 树脂是率敏感材料 , 必然会产生干扰信号, 可能叠加 在入射波、 反射波、 透射波上 , 影响实验数据的采集 、 厶 0 应变 图 3 G F R P的应力一 应 变曲线 应变 图 4 C F R P的应力一 应 变曲线 处 理 。 针 对这 一 问题所 采 取 的
10、措施 是 , 选 配合适 的杆 长及选择合适 的贴片位置, 可使测试到的入射波和 反射波信号不重叠 。比如选定输出杆长度为输入杆 长度的 2倍 , 就可使 3个波形避开干扰影响。 2 实验数据计算公式 根据一维简单波理论和试件中应力一 应 变均匀 的假设 , 可以得到实验数据处理时所采用的公式 。 试 件 中的应变、 应力及应变率计算公式分别为 : ,一 ( 1 ) a s一 ( 2 ) : ( e ,一 ) ( 3 ) I , s 式 中, C。 、 E、 分别为输入杆和输 出杆的弹性波速、 弹性模量、 横截面积; e , 和 为输入杆、 输出杆上应 变片测得的信号 , 分别对应着通过试件
11、的入射波和 透射波 ; 和 为试件试验段的原始长度和横截面 积 。 3 实验结果分析 对 2种 材 料 C F RP和 GF RP进 行 了 2个 应 变 率的冲击拉伸实验。 图 3 、 图 4分别是 GF RP 、 C F RP在常温和不同 应变率下的应力一 应变 曲线 。随着应变速率的提高 , C F R P、 G F R P拉伸模量都有明显减小 , 如 图 5所示 。 随着应变速率的提高, GF RP拉伸强度有 明显增大, 但 C F RP拉伸强度几乎不受加载速率的影响。 由图 6可 以看到 , 当加载速率 提高时, C F R P、 G F R P层板的断裂应变增大 , 这说明这 2种
12、材料具 有 动态韧 性 。 图 5 应变率对 拉伸 模量 的影 响 s 一 。 图 6 应变率对断裂 应变 的影响 逞 维普资讯 http:/ 3 3 2 西北工业大学学报 第 2 4卷 由图 3 GF RP的 盯 一 曲 线 可 以看 出 , 在 加 载 的 初始 阶段 , 材 料呈 现线 弹性 特 征 ; 当加 载至极 限 载荷 的 3 O 左右 , 层 板 模 量 显 著 下 降 ; 随 着 载 荷 的进 一 步增加 , 当达到极限应力后 , 材料破坏 。GF R P在承 受 相 当 大 的 载 荷后 , 其 模 量 下 降 , 这 表 明 GF RP层 板 在加 载 、 变形 阶段 ,
13、 已伴 随 着 损 伤 发生 , 这 是 因为 材 料 的应 变 已大 于玻 璃纤 维本 身 的破 坏应 变 ( 玻璃 纤 维束 的破 坏 应 变 约 为 3 5 1 0 , 势必 造成 纤 维 断裂 、 部 分基 体 开 裂 以及 界 面 脱 粘 等损 伤 因 素 的发 生 。由于层合 板 整体 具有 良好 的塑性 以及基 体 的剪 滞 作 用 , 纤 维 仍 然 可 以继 续 承 载 。从 损 伤 角 度 看 , GF RP层板 的塑 性变形 过 程 实际 上是 一 个伴 随有纤 维 、 树脂脆性损伤演化的塑性流动过程 。 对 GF RP层板 的应 变率强化和动态韧性 现象 可以作如下分析
14、: 在冲击载荷下 , 由于应力波效应, 破坏不 一定 首先 发生在 某 根纤 维 的最 弱链 处 。纤 维 参考文献 : 断裂后 , 由于卸载 波 的影 响 以及层 板材 料横 向 、 纵 向 波 速 的差 异 , 纤 维 断 口处 的应 力 集 中难 以 向横 向扩 展 , 相反极 可 能沿纤 维 纵 向形成 新 的断 口。 随着应 变 率 的增加 , 纤维 断 口数 目会 随 之增 多 , 但 因为树脂 基 体 的剪滞 作用 , 纤 维仍 然可 以承载 。在 冲击 载 荷下 , GF R P层板表现 出动态韧性 , 这是 由于应 力波传播 作用 , 树脂基体剪滞作用 以及纤维强度 的统计分
15、布 这 些 因素共 同作 用所 造成 的 。 4 结 论 本 文 通 过 对 C F RP 、G F RP 层 合 板 实 施 H o p k i n s o n杆 冲击 拉 伸 实 验 , 得 到 冲 击 载 荷 下 C F RP 、 G F R P层板 的应力一 应 变曲线 , 以及断裂 强 度 、 拉伸模量 、 断裂应变随加载速率改变的规律。 1 Ha r d i n g J ,We l s h L MA Te n s i l e Te s t i n g Te c h n i q u e f o r F i b e r R e i n f o r c e d C o mp o s i
16、t e s a t I m p a c t Ra t e s o f S t r a i n J o u r n a l o f M a t e r i a l S c i e n c e,1 9 8 3 ,1 8:1 8 1 O 1 8 2 6 2 3 We l s h L M,H a r d i n g J E f f e c t o f S t r a i n R a t e o n t h e T e n s i l e F a i l u r e o f Wo v e n R e i n f o r c e d P o l y e s t e r R e s i n C o mp o
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