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中低應(yīng)變率力學(xué)性能試驗研究的論文

時間:2023-02-19 23:22:02 論文范文 我要投稿
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中低應(yīng)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(fù)合材料的中低應(yīng)變率力學(xué)性能。方法利用電子萬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(fù)合材料進行常溫下準(zhǔn)靜態(tài)和中低應(yīng)變率力學(xué)性能試驗,得到不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和失效參數(shù)。結(jié)果在應(yīng)變率6.7×104~500s1范圍內(nèi),兩種鋪層材料均具有明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng),材料失效應(yīng)力隨應(yīng)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(jié)論獲得了碳纖維增強復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能參數(shù),可為復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計和仿真分析提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)。

中低應(yīng)變率力學(xué)性能試驗研究的論文

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

  碳纖維增強復(fù)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(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)中[1]。飛機在使用過程中不可避免會發(fā)生鳥撞、冰雹撞擊、墜撞等威脅到飛行安全的問題,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(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)特性,獲得材料在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能參數(shù),為復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計和仿真分析提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)。李勇[2]等在應(yīng)變率0.001~50s1范圍內(nèi)利用實驗方法研究了碳纖維增強聚對苯二甲酸乙二醇脂復(fù)合材料在不同應(yīng)變率和溫度條件下的拉伸性能及損傷模式,發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強度和彈性模量隨應(yīng)變率的增加而提高,隨溫度的升高而降低。Zhang[3]等在應(yīng)變率7×105~240s1范圍內(nèi)研究了碳纖維增強編織復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強度、拉伸模量和失效應(yīng)變均具有明顯的應(yīng)變率敏感性,但在較低應(yīng)變率范圍內(nèi)影響較小。KIMURA[4]等在應(yīng)變率105~102s1范圍內(nèi)研究了碳纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)變率敏感特性,發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強度和拉伸模量均受應(yīng)變率影響較大,而失效應(yīng)變受應(yīng)變率影響較小。文中結(jié)合電子萬能試驗機和高速液壓伺服材料試驗機獲得應(yīng)變率6.7×104~500s1范圍內(nèi)[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能,分析材料拉伸強度和失效應(yīng)變的應(yīng)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脂基復(fù)合材料,基本參數(shù)見表1。為保證不同加載速度下試驗件應(yīng)力狀態(tài)的一致性,準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗和動態(tài)拉伸試驗采取相同的試驗件尺寸,如圖1所示。1.1準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗平臺為INSTRON8801電子萬能試驗機,拉伸載荷通過試驗機自帶的載荷傳感器測得,傳感器量程為100kN。拉伸應(yīng)變通過接觸式引伸計測得,加載速度為2mm/min,名義應(yīng)變率為6.7×104s1。每種鋪層材料各進行4次重復(fù)性試驗,得到材料的準(zhǔn)靜態(tài)真實應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。可看出兩種材料的試驗結(jié)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(qū)別較大。其中[(±45°)]8鋪層結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的黏彈性特性,而[(±45°)]4s鋪層結(jié)果表現(xiàn)出一定的彈塑性特性。兩種材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸破壞結(jié)果如圖3所示,可見[(±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(yīng)變率拉伸試驗中低應(yīng)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,可承受最大沖擊動載為100kN。試驗件的安裝狀態(tài)如圖4所示,試件通過下夾具固定在試驗機上,初始時上夾具與試件不接觸,通過墊塊和抱緊螺栓實現(xiàn)上夾具與試件之間的微接觸狀態(tài)。試驗過程中,通過液壓作動筒結(jié)合氣體蓄能器提供加載能量,上夾具隨作動筒達到預(yù)定加載速度后,墊塊在預(yù)定位置被引導(dǎo)桿上的凸臺撞掉。此時,上夾具在抱緊螺栓作用下瞬間夾持住試件,并繼續(xù)隨作動筒向上運動,從而實現(xiàn)恒定速率拉伸。試驗中可通過改變上夾具初始位置和引導(dǎo)桿凸臺之間的距離來調(diào)整拉伸速度。在中低應(yīng)變率拉伸試驗中,可利用DIC數(shù)字散斑系統(tǒng)測試高速拉伸過程中試件表面的應(yīng)變場。其通過在試件的標(biāo)距段噴涂散斑,利用高速攝像機實時采集目標(biāo)區(qū)域變形的散斑圖像,結(jié)合非接觸分析軟件和相關(guān)算法計算試件的位移場,進而得到試件表面的應(yīng)變場。經(jīng)后處理分析得到動態(tài)拉伸應(yīng)變率,如得到兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料中低應(yīng)變率范圍內(nèi)的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。可知在應(yīng)變率6.7×104~500s1范圍內(nèi),應(yīng)變率對兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能影響均較大。隨著應(yīng)變率的增加,材料的流動應(yīng)力顯著增大。其中[(±45°)]8鋪層碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度通過應(yīng)變率強化效應(yīng)可達16.9%,[(±45°)]4s鋪層碳纖維復(fù)合材料可達16.2%。

  2材料失效特性分析

  不同應(yīng)變率加載下兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料的失效結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖9a可以看出,從準(zhǔn)靜態(tài)到中應(yīng)變率范圍內(nèi),[(±45°)]8鋪層碳纖維復(fù)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,且隨著應(yīng)變率的提高,破壞區(qū)域的分層損傷面積逐漸增大。材料的名義失效應(yīng)變與應(yīng)變率范圍相關(guān),在應(yīng)變率6.7×104~10s1范圍內(nèi)變化較小,在應(yīng)變率10~500s1范圍內(nèi)先減小后增大,而材料的名義失效應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大逐漸增大。由圖8可以看出,從準(zhǔn)靜態(tài)到中應(yīng)變率范圍內(nèi),[(±45°)]4s鋪層碳纖維復(fù)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,且隨著應(yīng)變率的提高,破壞區(qū)域的分層損傷面積逐漸增大。材料的名義失效應(yīng)變在應(yīng)變率6.7×104~10s1范圍內(nèi)變化較小,而名義失效應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大逐漸增大。

  3結(jié)論

  文中通過試驗方法研究了中低應(yīng)變率范圍下[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)特性,主要得出如下結(jié)論。1)試驗研究了中低應(yīng)變率范圍內(nèi)兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能,得到其不同應(yīng)變率下的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線,兩種鋪層碳纖維復(fù)合材料均具有明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng),材料的流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的提高而顯著增強。2)中低應(yīng)變率范圍內(nèi),[(±45°)]4s碳纖維復(fù)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(yīng)變率的提高逐漸增大。3)[(±45°)]8碳纖維復(fù)合材料的名義失效應(yīng)變在應(yīng)變率6.7×104~10s1范圍內(nèi)變化較小,在應(yīng)變率10~500s1范圍內(nèi)先減小后增大。[(±45°)]4s碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)變率6.7×104~10s1范圍內(nèi)變化較小。此外,兩者的名義失效應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而逐漸增大。

 

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