中低應變率力學(xué)性能試驗研究的論文

　　摘要：目的研究碳纖維增強復合材料的中低應變率力學(xué)性能。方法利用電子萬(wàn)能試驗機和高速液壓伺服材料試驗機對[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維增強復合材料進(jìn)行常溫下準靜態(tài)和中低應變率力學(xué)性能試驗，得到不同應變率下的應力應變曲線(xiàn)和失效參數。結果在應變率6.7×104~500s1范圍內，兩種鋪層材料均具有明顯的應變率強化效應，材料失效應力隨應變率的提高而增大。兩種鋪層材料均發(fā)生纖維斷裂失效和局部的分層失效，但[(±45°)]4s鋪層發(fā)生燕尾形失效，[(±45°)]8鋪層發(fā)生剪切失效。結論獲得了碳纖維增強復合材料在不同應變率下的力學(xué)性能參數，可為復合材料飛機結構的抗沖擊設計和仿真分析提供準確的材料參數。

　　關(guān)鍵詞：固體力學(xué)；碳纖維增強復合材料；中應變率；應變率效應；失效特性

　　碳纖維增強復合材料具有較高的比強度、比剛度、耐腐蝕、抗老化等特性，已被廣泛應用于飛機結構中[1]。飛機在使用過(guò)程中不可避免會(huì )發(fā)生鳥(niǎo)撞、冰雹撞擊、墜撞等威脅到飛行安全的問(wèn)題，為提高飛機的安全性，并盡可能減輕飛機質(zhì)量，就需要了解碳纖維增強復合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，獲得材料在不同應變率下的力學(xué)性能參數，為復合材料飛機結構的抗沖擊設計和仿真分析提供準確的材料參數。李勇[2]等在應變率0.001~50s1范圍內利用實(shí)驗方法研究了碳纖維增強聚對苯二甲酸乙二醇脂復合材料在不同應變率和溫度條件下的拉伸性能及損傷模式，發(fā)現材料的拉伸強度和彈性模量隨應變率的增加而提高，隨溫度的升高而降低。Zhang[3]等在應變率7×105~240s1范圍內研究了碳纖維增強編織復合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，發(fā)現材料的拉伸強度、拉伸模量和失效應變均具有明顯的應變率敏感性，但在較低應變率范圍內影響較小。KIMURA[4]等在應變率105~102s1范圍內研究了碳纖維增強復合材料的應變率敏感特性，發(fā)現材料的拉伸強度和拉伸模量均受應變率影響較大，而失效應變受應變率影響較小。文中結合電子萬(wàn)能試驗機和高速液壓伺服材料試驗機獲得應變率6.7×104~500s1范圍內[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分析材料拉伸強度和失效應變的應變率敏感特性及斷裂行為。

　　1力學(xué)性能試驗

　　試驗件為碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料，基本參數見(jiàn)表1。為保證不同加載速度下試驗件應力狀態(tài)的一致性，準靜態(tài)拉伸試驗和動(dòng)態(tài)拉伸試驗采取相同的試驗件尺寸，如圖1所示。1.1準靜態(tài)拉伸試驗準靜態(tài)拉伸試驗平臺為INSTRON8801電子萬(wàn)能試驗機，拉伸載荷通過(guò)試驗機自帶的載荷傳感器測得，傳感器量程為100kN。拉伸應變通過(guò)接觸式引伸計測得，加載速度為2mm/min，名義應變率為6.7×104s1。每種鋪層材料各進(jìn)行4次重復性試驗，得到材料的準靜態(tài)真實(shí)應力應變曲線(xiàn)如圖2所示�？煽闯鰞煞N材料的試驗結果均具有較好的一致性，且不同鋪層方式下材料的力學(xué)性能區別較大。其中[(±45°)]8鋪層結果呈現出明顯的黏彈性特性，而[(±45°)]4s鋪層結果表現出一定的彈塑性特性。兩種材料的準靜態(tài)拉伸破壞結果如圖3所示，可見(jiàn)[(±45°)]4s鋪層破壞形式為燕尾型損傷，[(±45°)]8鋪層破壞形式為剪切破壞。1.2中低應變率拉伸試驗中低應變率拉伸試驗平臺為高速液壓伺服材料試驗機[5]，其最大加載速度為20m/s，可承受最大沖擊動(dòng)載為100kN。試驗件的安裝狀態(tài)如圖4所示，試件通過(guò)下夾具固定在試驗機上，初始時(shí)上夾具與試件不接觸，通過(guò)墊塊和抱緊螺栓實(shí)現上夾具與試件之間的微接觸狀態(tài)。試驗過(guò)程中，通過(guò)液壓作動(dòng)筒結合氣體蓄能器提供加載能量，上夾具隨作動(dòng)筒達到預定加載速度后，墊塊在預定位置被引導桿上的凸臺撞掉。此時(shí)，上夾具在抱緊螺栓作用下瞬間夾持住試件，并繼續隨作動(dòng)筒向上運動(dòng)，從而實(shí)現恒定速率拉伸。試驗中可通過(guò)改變上夾具初始位置和引導桿凸臺之間的距離來(lái)調整拉伸速度。在中低應變率拉伸試驗中，可利用DIC數字散斑系統測試高速拉伸過(guò)程中試件表面的應變場(chǎng)。其通過(guò)在試件的標距段噴涂散斑，利用高速攝像機實(shí)時(shí)采集目標區域變形的散斑圖像，結合非接觸分析軟件和相關(guān)算法計算試件的位移場(chǎng)，進(jìn)而得到試件表面的應變場(chǎng)。經(jīng)后處理分析得到動(dòng)態(tài)拉伸應變率，如得到兩種鋪層碳纖維復合材料中低應變率范圍內的真實(shí)應力應變曲線(xiàn)如圖6所示�？芍�在應變率6.7×104~500s1范圍內，應變率對兩種鋪層碳纖維復合材料的力學(xué)性能影響均較大。隨著(zhù)應變率的增加，材料的流動(dòng)應力顯著(zhù)增大。其中[(±45°)]8鋪層碳纖維復合材料的拉伸強度通過(guò)應變率強化效應可達16.9%，[(±45°)]4s鋪層碳纖維復合材料可達16.2%。

　　2材料失效特性分析

　　不同應變率加載下兩種鋪層碳纖維復合材料的失效結果如圖7和圖8所示。由圖9a可以看出，從準靜態(tài)到中應變率范圍內，[(±45°)]8鋪層碳纖維復合材料的失效模式均為剪切失效，并發(fā)生局部的纖維斷裂和分層失效，且隨著(zhù)應變率的提高，破壞區域的分層損傷面積逐漸增大。材料的名義失效應變與應變率范圍相關(guān)，在應變率6.7×104~10s1范圍內變化較小，在應變率10~500s1范圍內先減小后增大，而材料的名義失效應力隨應變率的增大逐漸增大。由圖8可以看出，從準靜態(tài)到中應變率范圍內，[(±45°)]4s鋪層碳纖維復合材料的失效模式均為燕尾形失效，并發(fā)生局部的纖維斷裂和分層失效，且隨著(zhù)應變率的提高，破壞區域的分層損傷面積逐漸增大。材料的名義失效應變在應變率6.7×104~10s1范圍內變化較小，而名義失效應力隨應變率的增大逐漸增大。

　　3結論

　　文中通過(guò)試驗方法研究了中低應變率范圍下[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維復合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，主要得出如下結論。1）試驗研究了中低應變率范圍內兩種鋪層碳纖維復合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，得到其不同應變率下的真實(shí)應力應變曲線(xiàn)，兩種鋪層碳纖維復合材料均具有明顯的應變率強化效應，材料的流動(dòng)應力隨應變率的提高而顯著(zhù)增強。2）中低應變率范圍內，[(±45°)]4s碳纖維復合材料的失效模式為燕尾型破壞，[(±45°)]8為剪切破壞。兩者均發(fā)生局部的纖維斷裂和分層失效，且分層損傷面積隨應變率的提高逐漸增大。3）[(±45°)]8碳纖維復合材料的名義失效應變在應變率6.7×104~10s1范圍內變化較小，在應變率10~500s1范圍內先減小后增大。[(±45°)]4s碳纖維復合材料在應變率6.7×104~10s1范圍內變化較小。此外，兩者的名義失效應力均隨應變率的增大而逐漸增大。

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