玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-拉疲劳行为研究.pdf

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玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-拉疲劳行为研究1 玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-拉疲劳行为研究2 玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-拉疲劳行为研究3 玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-拉疲劳行为研究4
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2013年第2期玻璃钢/复合材料39玻璃纤维增强树脂基复合材料拉.拉疲劳行为研究梅端,王钧,李君明,司洪效。(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,武汉430074;2.武汉理工大学,武汉430070;3.丹东供电公司,丹东118000)摘要:本文以乙烯基酯树脂和环氧树脂为基体,制备玻璃纤维增强树脂基复合材料拉一拉疲劳试件,研究应力振幅、铺层方式、树脂体系对树脂基复合材料疲劳性能的影响。结果表明,随着应力振复增加,GFRP试件的拉伸模量呈现单调下降;随着玻璃纤维布层数的增加,GFRP拉-拉疲劳性能会大幅下降;环氧树脂复合材料的疲劳性能要明显优于乙烯基酯树脂复合材料。关键词:玻璃纤维增强复合材料;拉一拉疲劳;剩余刚度;S-N曲线———中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2013)02003904玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)具有比强度高,比刚度大,结构可设计等许多优点,在诸多领域得到了广泛的应用I2J。近年来随着人VI增加和城镇化进程的加速,电力需求日益增加,世界各地都把电力发展放在重要位置,GFRP也广泛应用于电力领域,其应用主要集中于复合材料杆塔、风机叶片、复合绝缘子等。采用新型环保材料代替钢材已成为输电行业的一种发展趋势,但由于电力基础设施的特殊用途,安全性成为该类产品首要考虑因素之一。复合材料杆塔在使用过程中,往往会由于长期载荷或自然环境而产生损伤以至破坏,其中疲劳损伤为其主要破坏形式之一。因此,对GFRP制件的疲劳行为进行研究显得极为重要。玻璃纤维增强树脂基复合材料的疲劳测试方法,大多数是采用拉一拉或拉一压的疲劳J。本文采用拉一拉疲劳方法,主要研究应力振幅、玻璃纤维铺层方式、树脂体系对GFRP拉一拉疲劳行为的影响。1玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳行为疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下,在某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定循环次数后形成裂纹,或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。与金属材料相比,复合材料的内部微结构及疲劳损伤机理要复杂得多。由于各向异性和…非均匀性,树脂基复合材料损伤包含各种机理j:基体损伤机理、纤维损伤机理、界面损伤机理等,如图1所示。金属材料在循环应力下不会出现荷载承受能力特性下降,而这种能力的下降是可塑性变形材料所独有的。寿命百分数loo图1树脂基复合材料损伤演变示意图Fig.1DamageevolutiondiagramofGFRPGFRP在循环载荷作用下,内部会产生疲劳损伤,随着疲劳次数增加损伤会进一步扩大,宏观表现为材料刚度的下降,GFRP的刚度随着疲劳损伤的增加单调下降,符合典型正则化刚度下降曲线口。利用GFRP的刚度变化来评价疲劳损伤,可以有效地提高测试效率。对材料刚度的监测属于一种宏观无损测试方法,一个试件可以得到不同疲劳循环次数的实验数据,从而避免了复合材料离散性大,可比性差的问题,为GFRP力学疲劳行为的研究提供了有效的新方法。.2实验部分2.1原材料与设备乙烯基酯树脂(VE),上海新华树脂厂,3201;过氧化甲乙酮,常州华日新材有限公司,工业级;环烷收稿日期:2012-112作者简介:梅端(1985一),男,硕士研究生,主要从事聚合物基复合材料研究。豳啦瓣玻璃纤维增强树脂基复合材料拉一拉疲劳行为研究2013年3月酸钴,常州华日新材有限公司,工业级;环氧树脂(EP),巴陵石油化工有限责任公司,CYD一128/E-51;改性胺固化剂,武汉理工大学自制,工业级;10:1单向玻纤布,航天材料及工艺研究所,0.5mm。微机控制电子万能试验机,深圳瑞格尔有限公司,RGT-4000;拉.拉疲劳试验机,英斯特朗公司,MODEL.1341;傅里叶变换红外光谱仪,美国热电尼高力公司,Nexus;电子精密天平,梅特勒-托利多仪器有限公司,PL203。2.2试样制备与测试—本文采用真空辅助成型工艺VARI(VacuumAssistedResinInfusion)制作GFRP板材,根据GB/T1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法,制备静—态力学测试标准试件;根据GB/T167791997纤维增强塑料层合板拉一拉疲劳性能试验方法,制备动态力学测试标准试件。应力比R=0.1,工作频率为15Hz。当E下降15%即为初始弯曲模量E。的85%时,即可认定试件发生疲劳破坏。2.3试样性能参数按照静态拉伸试验方法,对各种试件进行测试,结果如下表1所示。表1不同复合材料层合板拉伸性能Table1TensileperformanceofGFRPspecimen按照GB/T2577-2005纤维增强塑料树脂含量试验方法,对各种试件进行测试,结果如表2所示。表2复合材料层合板树脂含量!!!!!!!里!!!!坚!!!竺!蕉堑星VE/%31.493O.6329.9828.76EP/%31.713O.893O.1529.333结果与讨论3.1应力振幅对拉一拉疲劳行为的影响GFRP动态拉.拉疲劳试验采用应力控制加载,应力振幅分别为静态拉伸试件极限强度的30%、40%和50%。当应力振幅为30%时,其疲劳寿命较长,个别数据甚至大于lO。次。图2,图3分别表示乙烯基酯树脂体系和环氧树脂体系应力振幅在40%和50%条件下的疲劳测试结果。螂图2应力振幅对VE试件拉-拉疲劳性能的影响Fig.2Inf—luenceofs ̄essamplitudeonthetensiontensionfatigueperformanceofVEspecimen从图2中可以看出,随着疲劳循环次数N的增加,复合材料层合板拉伸模量单调递减;采用不同应力振钢载时,复合材料层合板试件的疲劳寿命有较大差异。将两种应力振复实验结果做对比,可以清楚发现应力振幅为40%时的疲劳寿命约为应—力振幅为50%时疲劳寿命的35倍。另外,应力振幅为40%时,其曲线斜率的绝对值较小,说明试件拉伸模量下降速率较为缓慢,而应力振幅为50%时,其曲线斜率的绝对值较大,表明试件拉伸模量下降速率明显加快,并伴随着疲劳失效的突然发生。图3应力振幅对EP试件拉一拉疲劳性能的影响—Fig.3InfluenceofstressamplitudeonthetensiontensionfatigueperformanceofEPspecimen从图3中可以看出,环氧树脂体系的测试结果与图1类似,随着疲劳循环次数N的增加,试件的拉伸模量呈现单调递减的趋势;应力振幅为40%时的—疲劳寿命约为应力振幅为50%时疲劳寿命的45倍。略有不同的是当应力振幅为40%时,试件拉伸模量下降趋势中均存在一个平台区域,即疲劳损伤累积区,在这一区域内拉伸模量的下降速度非常平缓,几乎没有变化。图中平台区域出现在加载10次时,拉伸模量保有率为84%左右。当应力振幅为50%时,拉伸模量的下降速率依然很快,没有缓冲平台的出现。当应力振幅为静态极限拉伸强度的50%时,两∞%舛帅g宕铂蚪跎哥盟举棚2013年第2期玻璃钢/复合材料41种树脂体系复合材料层合板试件的拉伸模量都迅速下降,分析原因在于50%应力振幅施加的载荷过大,过大的循环载荷和界面应力的共同作用使复合材料层合板在薄弱处产生局部的微裂纹,随着循环加载的进行微裂纹会急剧扩展,疲劳损伤积累区域尚未形成,复合材料层合板试件就已达到破坏极限。当复合材料层合板本身不能抵抗裂纹和界面应力作用时,材料的失稳破坏则不可避免地发生。3.2铺层对拉一拉疲劳行为的影响050O0l0000150002OOOO250003OOOO35000疲劳循环次数N图4铺层方式对VE试件拉一拉疲劳性能的影响Fig.4Inf—luenceoflayermodeonthetensiontensionfatigueperformanceofVEspecimen图4表示乙烯基酯树脂体系在应力振幅40%的条件下,不同玻璃纤维布层数对GFRP层合板拉.拉疲劳性能的影响。从图中可以看出,随着玻璃纤维层数的增加,即复合材料层合板厚度增大,VE体系复合材料的拉.拉疲劳性能下降的速率有明显的不同。当铺层数为3层时,其拉一拉疲劳曲线较为平缓,拉伸模量的下降速率较慢;而当铺层数增加到6层时,其拉一拉疲劳曲线斜率的绝对值最大,拉伸模量的下降速率极为迅速。宏观上可以通过GFRP层合板试件所能承受的疲劳循环次数,即拉.拉疲劳寿命说明,如表3所示。表3乙烯基酯树脂体系拉一拉疲劳循环次数—Table3ThetensiontensionfatiguecyclenumberofVEsystem环氧树脂体系的复合材料层合板也表现出类似的趋势,随着玻璃纤维布层数的增加,其拉.拉疲劳性能逐渐下降,如表4中数据所示。表4环氧树脂体系拉一拉疲劳循环次数Table4Thetension-tensionfatiguecyclenumberofEPsystem随着玻璃纤维层数增加,GFRP层合板拉-拉疲劳性能会下降,其原因可以从浸润理论的角度进行分析。玻璃纤维布层数的增加,树脂与玻璃纤维之间不完全浸透的可能性会大大增加,尤其在玻璃纤维布与布之间很容易因为空气的截留作用,形成无数的微sJ, ̄L隙,这些孔隙导致复合材料层合板存在缺陷。缺陷与界面粘合性能息息相关,严重影响界面的粘合强度,从而使复合材料层合板拉一拉疲劳性能下降。3.3树脂体系对拉一拉疲劳行为的影响图5(a)、图(b)分别表示铺层数为3和铺层数为6时,不同树脂体系的复合材料层合板在40%应力振幅条件下的拉一拉疲劳实验结果。从图中可以清楚地看到,在测试条件相同的情况下,环氧树脂复合材料所能承受的疲劳循环次数明显大于乙烯基酯树脂复合材料,其拉.拉疲劳性能明显优于乙烯基酯树脂复合材料。铺层数为3时,环氧树脂体系的疲劳寿命约为乙烯基酯树脂体系的10倍;铺层数为6时,环氧树脂体系的疲劳寿命约为乙烯基酯树脂体系的21倍。(a)3层玻璃纤维布(b)6层玻璃纤维布图5树脂体系对拉.拉疲劳性能的影响Fig.5Influenceofresinsystemonthe—tensiontensionfatigueperformance髓砸|辑2l∞粥%舛s!腿娩莲*鼬举=I∞粥%舛∞昭跖跎褂鼬嘲∞粥%舛莲讣鼬嘲42玻璃纤维增强树脂基复合材料拉一拉疲劳行为研究2013年3月分析上述原因可以从树脂体系着手,如表5所示。表5两种树脂浇注体静态拉伸力学性能Table5Tensileperformanceofcastingspecimen环氧树脂的拉伸强度和断裂延伸率都要优于乙烯基酯树脂。复合材料层合板拉-拉疲劳性能的好坏在很大程度上由树脂基体的韧性决定,而评价树脂韧性的指标就是断裂伸长率。显而易见,环氧树脂的断裂伸长率为乙烯基酯树脂的3倍,因此环氧树脂复合材料层合板的拉一拉疲劳l生能较为优越。4结论(1)随着应力振复增加,GFRP试件的拉伸模量呈现单调下降的趋势。当应力振幅较小时,多数疲劳曲线符合典型正则化刚度下降曲线,存在疲劳损伤累积区;当应力振幅较大时,模量下降速率明显加快,疲劳失效突然发生;(2)随着玻璃纤维布层数的增加,GFRP试件的拉.拉疲劳性能大幅下降,宏观上表现为疲劳寿命的降低;(3)环氧树脂复合材料的拉一拉疲劳性能明显优于乙烯基酯树脂复合材料。本文中EP体系试件的—疲劳寿命约为VE体系试件的1021倍。参考文献[1]沈观林,胡更开.复合材料力学[M].北京:清华大学出版社,2006.[2]詹界东,杜修力,王作虎.FRP筋长期力学性能研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2009,(06):77-80.[3]益小苏,杜善义,张立同等.复合材料手册[M].北京:化学工业出版社,2009.[4]刘泉,任宗栋,默增禄.复合材料在输电杆塔中的应用研究[J].玻璃钢/复合材料,2012,(05):53-56.[5]HansenU.Damagedevelopmentinwovenfabriccompositesduringtension-tensionfatigue[J].JournalofCompositeMaterials,1999,33(7):614-639.[6]CoatsTWandHarrisCE.Experimentalverificationofaprogressive—damagemodelforIM7/5260laminatessubjectedtotensiontensionfatigue[J].JournalofCompositeMaterials,1995,29(3):280-305.[7]CaprinoG.Predictingfatiguelifeofcompositelaminatessubjectedto—tensiontensionfatigue[J].JoumalofCompositeMaterials,2000,34—(16):13341355.——[8]GamstedtEKandSjogrenBA.Mieromechanismsintensioncompressionfatigueofcompositelaminatescontainingtransverseplies—[J].CompositesScienceandTechnology,1999,59(2):167178.—[9]RotemA.Thefatiguebehaviouroforthotropiclaminatesunderten—sioncompressionloading[J].InternationalJournalofFatigue,1991,13(3):209-215.[10]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.[11]齐红宇,温卫东.先进纤维增强复合材料疲劳寿命的预测[J].玻璃钢/复合材料,2000,(O5):6-9.—[12]HwangWandHanKS.Cumulativedamagemodelsandmultistressfatiguelifeprediction[J].JournalofCompositeMaterials,1986,20:125153.—[13]HwangWandHanKS.FatigueofcompositesFatiguemodulusconceptandlifeprediction[J].JournalofCompositeMaterials,—1986,20:154165.[14]HansenU.Damagedevelopmentinwovenfabriccompositesduring—tensiontensionfatigue[J].JournalofCompositeMaterials,1999,33(7):614-639.[15]KhashabaUA.FatigueandreliabilityanalysisofunidirectionalGFRPcompositesunderrotatingbendingloads[J].JoumalofCompositeMaterials.2003。37:317.30.’’RESEARCHoTHETENSloN-TENSIONIi'ArJIJGUEPERIi0RMACE0GLASSFIBERREINFoRCEDPLASTICMEIDuan,WANGJun,LIJun.ming,SIHong.xiao(1.WuhanNariLimitedLiabilityCompanyofStateGridElectricPowerResearchInstitute,Wuhan430074,China;2.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;3.DandongPowerSupplyCompany,Dandong118000,China)Abstract:TheauthorpreparedGFRPSpecimenbywayofvacuumassistedresininfusionprocess,usingvinylesterresin,epoxyresinandglassfiberasrawmaterialinthispaper.Throughthedynamicfatiguetest,thispaper—analyzestheinfluenceofstressamplitude,layermodeandresinsystemonthetensiontensionfatigueperformanceofGFRP.TheresultshowthatthetensilemodulusoftheGFRPdecreasedmonotonouslyalongwiththeincreasingofthestressamplitude.Furthermore,thetension-tensionfatigueperformanceofGFRPwillbesignificantlydecreased—asthenumberoflayersincreasing.Inaddition,thefatigueperformanceofcompositeswithepoxyresinmatrixissignificantlybetterthantheonewithvinylesterresinmatrix.——Keywords:GFRP;tensiontensionfatigue;residualstiffness;SNcurvec|q9ll
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