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第43卷第9期2015年9月第6O一65页材料工Journa1ofMaterials程EngineeringVol_43No.9Sep.2015pp.6O~65玻璃纤维一铝合金正交层板的拉伸性能研究TensilePropertiesofGlassFiberReinforcedAluminumOrthorhombicLaminate王亚杰,王波,张龙,马宏毅(1西北工业大学力学与土木建筑学院,西安710129;2北京航空材料研究院,北京100095)——WANGYajie,WANGBo,ZHANGLong,MAHongyi(1SchoolofMechanics,CivilEngineeringandArchitecture.’NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian710129,China:2BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)摘要:通过对两组具有不同铺层次序的玻璃纤维一铝合金正交层板进行拉伸实验,对比研究了铺层次序对材料拉伸力学行为的影响。载荷跌落前两组试件的拉伸力学性能和应力一应变曲线基本一致,说明玻璃纤维一铝合金正交层板的拉伸力学性能与纤维的铺层次序无关。提出了修正后的金属体积分数理论,准确预测了材料的弹性模量、屈服应力及拉伸强度。依据声发射数据和试件损伤失效形貌照片,分析了两组试件的拉伸损伤失效进程。结果表明,铺层次序的不同使得两组材料的损伤进程和破坏模式具有很大差异。最后,利用有限元方法对试件的拉伸力学行为进行了模拟分析,模拟结果与实验值吻合较好。关键词:玻璃纤维铝合金正交层板;拉伸实验;损伤演化;失效机理;有限元模拟—doi:10.11868/j.issn.10014381.2015.09.010中图分类号:TB333文献标识码:A——文章编号:1001~4381(2015)09006006—Abstract:Theinfluenceofdifferentlayoutsequenceonthetensilepropertieswasinvestigatedbytensiletestsoftwogroupofglassfiberreinforcedaluminumorthorhombiclaminatewithdifferentse——quences.Thetestresultsshowthattensilepropertiesandstressstraincurvesoftwogroupsofspecimensunderloadingarealmostthesame.Asaresult,thetensilepropertieshavenothingtodowith—thefiberlayupsequence.Amodifiedtheoryofmetalvolumefractionisputforwardtopreciselypre—dicttensilepropertiesincludingelasticmodulus,yieldstressandtensilestrength.Accordingtoacoustieemission(AE)dataandpicturesoffailedspecimens,thedamageprocessandfailuremechanismoftwogroupsofspecimenswereanalyzed.Theresultsshowthatthelayupsequencehasaconsiderableeffectonthedamageprocessandfailuremodeofthemateria1.Finally,simulationandanalysiswerecarriedoutonthetensileperformanceofthespecimensusingfiniteelementmethods.Thesimulatedresultsareingoodagreementwithexperimentalvalues.—Keywords:glassfiberreinforcedaluminumorthorhombiclaminate;tensiletest;damageevolution;failuremechanism;finiteelementmodelling作为纤维金属层合板(Fibre-MetalLaminates,FMLs)的一种典型代表,玻璃纤维一铝合金层板是由高强度铝合金薄板和高强度玻璃纤维增强树脂层交替层压制造而成的一种纤维增强金属材料口]。玻璃纤维一铝合金层板综合了传统树脂基复合材料和金属材料的特点,不但具有高比刚度和比强度,还具有金属材料的韧性和可加工性,尤其是优良的疲劳性能和损伤容限性能,使得玻璃纤维~铝合金层板在航空航天领域具有广阔的应用前景]。玻璃纤维一铝合金层板具有优异的综合力学性能及良好的经济性,因此已成为高性能低成本复合材料研究的发展方向之一[引。玻璃纤维一铝合金层板是由各向同性的铝合金板和各向异性的玻璃纤维/环氧树脂基复合材料结合起来的一种结构材料,所以它的损伤模式分析、力学性能理论模型预测以及有限元模拟都较为复杂。目前国外研究人员对各类玻璃纤维一铝合金层板进行了大量实验研究,并给出了铺层角度、次序及厚度等参数对材料第43卷第9期玻璃纤维一铝合金正交层板的拉伸性能研究61整体性能的影响l_4]。但针对其正交层板的力学性能理论模型预测、损伤失效进程及破坏机理的研究工作还不多见。在理论模型预测方面,Volt等提出的金属体积分数(MetalVolumeFraction,MVF)理论应用最广,利用该理论可对单向铺层的纤维一金属层板拉伸模量和强度进行预测。马宏毅等在MVF理论的基础上进行了修正,能够较准确地预测单向和正交玻璃纤维一铝合金层板的拉伸与疲劳性能。Soltani等应用有限元方法对玻璃纤维一铝合金层板的拉伸力学行为进行了模拟分析,发现由于铝层的塑性及铝层与纤维层间的相互作用,玻璃纤维一铝合金层板的拉伸应力一应变关系呈双线性,且曲线第二部分直线段的斜率主要由层合板内部纤维铺层方向决定。在损伤探测方面,Castanedo等口叩在玻璃纤维一铝合金层板的低速冲击实验中,采用热红外影像技术对其分层、冲击损伤进行了探测和评估。Yaghoubi等对含有不同的纤维铺层方向、几何形状的玻璃纤维一铝合金层板进行落锤冲击实验,使用无损超声波探测冲击损伤宏观特性,并应用光学成像技术研究其损伤微观特性。刘怀喜等口使用声发射技术研究了芳纶/环氧复合材料在承受拉伸载荷时的损伤与断裂行为,发现在承载过程中芳纶/环氧复合材料主要的损伤类型是基体开裂、纤维/基体界面开裂以及纤维断裂。本工作针对玻璃纤维一铝合金正交层板,通过实验测定两组试件拉伸性能及规律,提出了修正的理论模型预测材料的拉伸模量、屈服应力和破坏强度,并采用声发射设备跟踪其损伤过程,应用有限元渐进损伤的方法分析了材料失效破坏原理。1试件和实验1.1试件本工作所用试件材料是国产的热固性玻璃纤维一铝合金层板,由玻璃纤维增强复合材料(FRP)、铝合金薄板(型号:2024一T3)和黏结层(型号:SY一14)构成。——其编号如下:GLARE33/20.3__1引,代指意义为每层铝合金薄板厚度为0.3mm,纤维增强复合材料层数为2,铝合金薄板层数为3。两组试件的铺层方式分别为:A1/o/9o/A1/90/0/Al和A1/90/0/A1/0/90/A1,定义为试样A和试样B。拉伸试件形状如图1所示,长度为250mm,矩形横截面宽度为25mm,总厚度为1.36mm,试件两端均粘贴铝制加强片防止试件夹持段被压溃。其中,铝板2024-T3和FRP的力学性能由表1给出。AEsensor图1试件尺寸图和应变片及声发射探头位置Fig.1DiagramofspecimendimensionandlocationofstraingaugesandAEsensor表1铝板2024-I"3和FRP的力学性能Table1MechanicalperformanceofA12024一T3andFRP1.2实验拉伸实验在DSS100试验机上进行。采用位移控制方式加载,加载速率为2mm/min。为获得试件在拉伸过程中的应变变化情况,分别在试件两面中间部位粘贴应变片来采集应变数据。同时在试件工作段的两端粘贴了声发射探头,使用DS2系列全信息声发射信号分析仪来收集拉伸过程中的材料损伤信号。应变片及声发射探头位置如图1所示。2实验结果及讨论平均值见表2,应力一应变曲线如图2所示。由表2中实验数据可以看出试样A,B的破坏载荷、拉伸强度及模量、屈服应力、泊松比和破坏应变均基本相同,说明玻璃纤维一铝合金正交层板的拉伸性能与纤维铺层次序无关。由图2可以看出,两组试样的应力一应变曲线几乎完全重合,且由于铝板的屈服塑性,拉伸试件整体也发生屈服,但屈服平台不明显,应力一应变曲线整体表2试样A与试样B的拉伸实验结果Table2TensiletestresultsforspecimensAandB兰!!!!!!!兰竺!!兰竺!!!!:!兰12.1实验结果及分析A22345.2657.253.5215.50.2736529.0玻璃纤维一铝合金正交层板的两组拉伸实验结果呈1055.6216.90.2738821.662材料工程2015年9月图2试样A与试样B的拉伸应力一应变关系—Fig.2TensilestressstrainrelationsforspecimensAandB呈近似双线性特征。2.2试件破坏形式及分析由于纤维铺层次序的不同,试样A,B的拉伸损伤模式明显不同。由表1数据可知,与0。纤维层刚度(53.7GPa)相比,铝板和9O。纤维层的刚度(72,11.1OPa)相差更大,在加载之初等应变条件下,相邻的铝板与90。纤维层会产生很大的层问应力。并且鉴于本实验的加载方式,载荷通过两端加强片以对称方E>EP∞CLU式由最外层向内传递剪应力来实现加载,所以实验初期最外层铝板首先承力。因此,与试样A(A1/0/90/A1/90/0/A1)相比,拉伸过程中试样B(AI/90/0/A1/0/90/A1)的铝层与相邻的90。纤维层更易发生分层,从而造成两种试件不同的拉伸损伤模式。声发射是一种对材料内部缺陷或潜在缺陷处于运动变化中进行动态损伤检测的方法,具有实时、连续监测的特点l】。试件拉伸载荷和声发射能量随时间变化的分布如图3所示。由图3(a)可以看出试样A在材料屈服前阶段(0 ̄45s)几乎没有声发射能量被采集到,说明此阶段材料无损伤出现;随后是屈服后阶段(45 ̄260s),仅在载荷达11835N时出现小量声发射能量,但在载荷曲线上未造成明显的影响,说明该损伤对材料性能影响不大,推断此时对应的是90。纤维层的横向破坏;最后断裂失效阶段是在260s左右时,声发射能量出现急剧增强,且拉伸载荷由22391N发生骤降,说明此时试件完全失效破坏,破坏状态如图3(a)中图片所示,此时纤维层和铝层发生裂纹失稳性扩展并断裂失效。。(b)—————/f●I图3试样的拉伸载荷与声发射数据分布图(a)试样A;(b)试样BFig.3TensileloadandAEdatatimeforspecimens(a)specimenA;(b)specimenB由于损伤模式的不同,试样B的声发射数据分布与载荷的对应情况更为明显,如图3(b)所示,拉伸载荷共出现3次下降,对应采集到3次明显的声发射能量。可以看出试样B在达到纤维破坏载荷前的屈服前阶段和屈服后阶段与试样A的情况基本类似,且同样在260s左右首次获得较大声发射能量,但由于铺层次序的不同,此时试样B仅发生了两侧纤维层的断裂并与铝板明显分层,状态如图3(b)中图片所示。之后是铝板破坏阶段(260 ̄825s),包括两次载荷的下降和声发射能量的获得。首先三层铝板分别承载,外侧一层铝板最先达到破坏应变后发生断裂,变为由两层铝板同时承载,此时拉伸载荷由837ON降为5592N,大小为3:2的关系。随着声发射能量的获得,最后两层铝板同时发生破坏,试件最终完全断裂,断裂状态分别E>E’巳∞ct ̄1如图3(b)中图片所示。通过试样B的拉伸实验可以看出,声发射能量越剧烈,对应着载荷下降幅度越大,因此可以根据声发射数据跟踪了解材料损伤过程,且通过比较声发射能量的大小来衡量材料的破坏程度。拉伸试件宏观断口形貌见图4。通过以上实验过程分析可知两种试件的损伤过程明显不同,因此它们的断口形貌也各不相同。试样A的断口形貌如图4(a)所示,断口趋势较为平齐,各纤维层和铝板层断面位置基本一致,断口附近有小范围分层,并可以较明显地看出断口发生在铝板颈缩的位置。试样B的断口形貌如图4(b)所示,两层纤维/树脂层断裂位置及形态均呈对称分布,纵向纤维束拔出长短不一,并携带横向纤维。由于拉伸过程中出现明显分层,分层后的各层铝板承载非同步,导致它们的断裂位置和形态参差不齐。∞m,SaJls第43卷第9期玻璃纤维一铝合金正交层板的拉伸性能研究65—[5]PARKSY,CHOIWJ,CHOIHS.Effectsofsurfacepre-treatmentandvoidcontentonGLARElaminateprocesscharacteristics[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2010,210(8):—10081016.—[6]SINMAZGELIKT,AVCUE,B0RAMO,eta1.Areview:fibremetallaminates,background,bondingtypesandappliedtest—methods[J].MaterialsandDesign,2011,32(7):36713685.—[7]VOLTA,GUNNINKJW.FiberMetalLaminates[M].Nether—lands:KluwerAcademiePublishers,2001.7375.[83马宏毅,李小刚,李宏运.玻璃纤维一铝合金层板的拉伸和疲劳性能研究[J].材料工程,2006,(7):6l一64.———MAHongyi,LIXiaogang,LIHongyun.Tensionandfatigue—propertiesofglassfiberreinforcedaluminumlaminatesEJ].Jour—nalofMaterialsEngineering,2006,(7):6164.—[9]s0LTANIP,KEIKHOsRAVYM,OSKOUEIRH,eta1.StudyingthetensilebehaviourofGLARElaminates:afiniteelementmodellingapproach[J].AppliedCompositeMaterials,2011,18—(4):271282.—[10]IBARRAcAsTANEDOC,AVDEIDISNP,GRINZATOEG,eta1.DelaminationdetectionandimpactdamageassessmentofGLAREbyactivethermography[J].InternationalJournalof——MaterialsandProductTechnology,2011,41(14):516.[113YAGHOUBIAS,LIUYX,MAWBM.Drop-weightimpact—studiesofGLARE5fiber-metallaminates[A].PROULXT.ExperimentalandAppliedMechanics[C].NewYork:Springer,—2O11.267279.[12]刘怀喜,马润香,张恒.芳纶纤维/环氧树脂复合材料损伤与断裂—过程的声发射特性[J].材料导报,2004,18(6):9395.—LIUHuai-xi,MARunxiang,ZHANGHeng.Thefeatureofacousticemissiononthedamageandfractureincompositeof—Kevlar-f|ber/ep0xy[J].MaterialsReview,2004,18(6):9395.[133王世明,吴中庆,张振军,等.大飞机用Glare层板的性能综合评—价研究rJ].材料导报,2010,24(9):8894.—WANGShiming,WUZhong-qing,ZHANGZhen-jun。eta1.—ResearchofGlarelaminatesperformancecomprehensiveevaluationappliedtolargeaircraft[J].MaterialsReview,2010,24—(9):8894.[14]潘文革,矫桂琼,王波,等.声发射技术在三维编织c/sic复合材料拉伸损伤分析中的应用rJ].无机材料学报,2004,19(4):871—875.——PANWenge,JIAOGuiqiong,WANGBo,eta1.Characterizing—damageevolutionofthreedimensionalbraidC/SiCcompositewithAEtechnology[J].JournalofInorganicMaterials,2004。19—(4):871875.[15]沈观林,胡更开.复合材料力学[M].北京:清华大学出版社,2006.91.———收稿日期:20140324;修订日期:20150322通讯作者:王波(1976一),男,博士,副教授,主要从事复合材料力学及结构设计方向的研究,联系地址:陕西省西安市长安区西北工业大学长—安校区力学与土木建筑学院(710129),Email:b.wang@nwpu.edu.cn
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