复合材料层合板拉压和面内剪切性能的分散性实验研究.pdf

　２０　　　材料工程／２０１０年６期　　复合材料层合板拉压和面内剪切　　性能的分散性实验研究　　　　　　　　ＳｔｕｄｙｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＴｅｎｓｉｌｅＣｏｍｐｒｅｓｓａｎｄ—　　　　　　　　ＩｎｐｌａｎｅＳｈｅａｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＤｉｓｐｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＬａｍｉｎａｔｅ　　　　　　　朱振涛，王佩艳，王富生，岳珠峰　　　（西北工业大学力学与土木建筑学院，西安７１００７２）　　　　　—　　　—　　ＺＨＵＺｈｅｎｔａｏ，ＷＡＮＧＰｅｉｙａｎ，ＷＡＮＧＦｕｓｈｅｎｇ，ＹＵＥＺｈｕ～ｆｅｎｇ　　　　　（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　’　　　　　ＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　摘要：针对纤维增强Ｔ３００／ＱＹ８９１１复合材料层合板进行大子样纵向拉伸、压缩实验和面内剪切实验，得到了材料拉伸、　　　　　　　　　　　　压缩、面内剪切的主要力学性能参数。研究纤维增强复合材料的刚度和强度特性，发现纵向拉压以及面内剪切应力～应　　　　　　变曲线都几乎为直线，具有脆性破坏的特点。并且利用统计学原理对实验结果进行统计分析，研究各力学性能参数的分　　　　　　　　　　　　　布特性，结果表明：三参数威布尔分布、正态分布、对数正态分布能较好地描述各力学性能参数的分布规律，最后给出复　　　　　合材料层合板拉、压、剪切性能的分散性参数。　　　　　关键词：复合材料；力学性能；分散性；实验研究　　中图分类号：ＴＢ３３２　　文献标识码：Ａ　——　文章编号：１ＯＯ１－４３８１（２０１０）０６００２００６　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｏｒｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＴ３００／ＱＹ８９ｌ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓａｎｄｉｎ－ｐｌａｎｅ　　　　　　　　　　　　　　—　ｓｈｅａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｇｅｔｍａｉｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｉｇｉｄｉｔｙｃｈａｒ　　　　　　　　　　　　　——　　　——　ａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｅｎ　　　　　　　　’　　　　　　ｓｉｏｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒａｒｅａｈｎｏｓｔｌｉｎｅａｒ，ｓｐｅｃｉｍｅｎＳｆａｉｌｕｒｅｉｓａｂｒｕｐｔ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓａｒｅａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔ３－ｐａｒａｍｅｔｅｒｗｅｉｂｕｌｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，Ｎｏｒｍａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｌｏｇｎｏｒｍａｌ　　　　　　　　　　　　—　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｅｇｏｏｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．Ｆｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｄｉｓｐｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｃｏｍｐｒｅｓｓａｎｄｓｈｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　ｌａｍｉｎａｔｅａｒｅｇｉｖｅｎ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　复合材料因为比强度高、比刚度高、可设计性强、　　　　　　　　　　　抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定以及便于大　　　　　　　　　　　面积成形等独特优点，使其在航空领域应用日益广泛，　　　　　　　　　　　　　　　继铝、钢、钛之后，已迅速发展成四大航空结构材料之一。　　　　　　　　复合材料结构设计的一个发展趋势是充分利用该　　　　　　　　　　　　　　材料的优越性能，不断挖掘材料潜力。一个最重要的　　　　表现就是提高其设计许用值。但是，随着许用值的提　　　　　　　　　　　　　　高，其安全问题越来越受到人们的重视。所以对复合　　　　　　　　　　　　材料性能的准确预测、评估成为研究的焦点。复合材　　料的许多破坏失效现象（比如断裂）与复合材料的细观　结构有密切关系。由于复合材料的细观结构和组元材　　　　　　　　料的性能具有分散性，所以导致复合材料的平均性能也　　　　　　　　　　　表现出一定的分散性＿Ｉ］。这就要求对材料弹性性能的　　　　　　分散性进行研究。文献［２］对纤维体积分数的随机性进　　　　　　　　　　　　行了研究。文献［３］研究了组分材料性能随机变化时，　　　　　　复合材料宏观性能的分散性。文献［４３对纤维位置随机　　　　　　　　　变化引起的材料性能的分散性进行了研究。然而，以上　研究大都是建立在计算机模拟基础上的，本研究通过对　复合材料层合板进行大子样的拉伸、压缩以及面内剪切　　　　　　　　　　实验，获得了材料的强度、模量以及泊松比。通过分析　　　　　　　　　　　　实验结果，得到大子样下复合材料层合板拉伸、压缩以　　　　　　　及剪切性能的有实验结果支撑的分散性模型，为可靠性　　　　　　模型的建立提供更为真实的模型和数据。　　　１实验　　实验用的复合材料层合板取自某型号飞机的平尾　　　部位，其铺层顺序为［９０／０／一４５／４５／９０／０－］，外面有一　　　　　复合材料层合板拉压和面内剪切性能的分散性实验研究　２５　　　　　　　　　　　　　—　现，剪切强度和剪切模量都通过了ＡｎｄｅｒｓｏｎＤａｒｌｉｎｇ　　　　拟合优度检验。　　　　　　　　　　　　　　　　　根据剪切实验数据统计分析的结果，得到材料剪　　　　　　　　　　切性能的分散性模型，具体表达式如下：　　　　　　　剪切强度Ｓ～ｌｎ（５．０７１８，０．１５５３），即…　　１　　　　　ｒ（１ｎｘ一５．０７１８）］　　一—　　　～ｅｘＰ　　　０５５３　ｌ一＿ｌ　ｘ　　　　ｚｕ５　￣／２７【×．　１　Ｌ　　・ｌ０　　　　　　　剪切模量Ｇ～Ｎ（１２．０８７，２．２１６。），即　）一　ｅｘｐ　　　　３结论　［　　　　　（１）Ｔ３００／ＱＹ８９ｌｌ复合材料层合板的纵向拉、压　　　　　　　　　　　　　　以及剪切应力一应变曲线均为直线，其破坏可认为是脆　　　性破坏。　　　　　　　　　　　　　（２）通过对拉、压、剪实验结果的统计分析，认为抗　　　　　　　　　　　　　　　拉强度和拉伸模量服从三参数威布尔分布；压缩强度、　　　　　　　　　　　　　压缩模量、剪切模量以及拉伸泊松比服从正态分布；剪　　　　　　　　　　　　　　切强度和压缩泊松比则服从对数正态分布。得到了复　　　　　　　　　　　　　　　　　合材料拉、压、剪切性能的分散性模型参数，并给出了　　　　　　　分散性模型的具体表达式。　　　　　　　　　　　　　（３）本实验方法和分析过程可以用于研究复合材　　　　　　　　　　　　　　料其他结构性能参数的分散性。可扩充由实验结果支　　　　　　　　　　　　　　　　持的材料参数分散性模型库，为可靠性应用理论的研　　　　　　　　　　　　　　究提供真实可靠的数据，缩短可靠性理论到实际应用　　　　的研究周期。　　　　参考文献　　　　　　　　［１］ＧＲＡＨＡＭＬＬ，ＧＵＲＩＥＹＢＫ，ＭＳＴＥＲＦ．Ｎｏｎｇａｕｓｓｉａｎｓｉｍｕ　　　　　　　　　　　—　ｌａｔｉｏｎｏｆｌｏｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂａｓｅｄｏｎａｍｏｖｉｎｇｗｉｎｄｏｗｔｅｃｈ　　　ｎｉｑｕｅ［Ｊ］．ＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００３，１８：２２３　２３４．　　　　　　　［２］范建华，杨庆雄．复合材料弹性模量随机计算模型ＥＪ］．复合材料　　—　　学报，１９９８，１５（４）：１３４１３８．　　　　　　Ｅ３３宋迎东，孙志刚，高希光．纤维增强复合材料有效性能分散性的研　　—　究ＥＪ］．航空动力学报，２００５，２０（２）：２３０２３５．　　　　　Ｅ４］高希光，宋迎东，孙志刚．纤维位置随机引起的复合材料性能分散　　　　性研究［Ｊ］．航空动力学报，２００５，２０（４）：５８４５８９．　　　　　　Ｅ５］王佩艳，岳珠峰．大子样下复合材料层合板拉伸性能分散性研究　　　　ｌＪ］．机械强度，２００７，２９（６）：１００５１００８．　　　　　　　　　Ｅ６］ＧＵＩＩＬＡＵＭＡＴＬ，ＨＡＭＤＯＵＭｚ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌｏｆｄｒｉｌｌｅｄ　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００６，７４：４６７　４７４．　　　　　　　　　　［７］ＮＧＡＨＭＦ，ＹＯＵＮＧＡ．ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｆｉ　　　　　　　　　ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　——　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓＥＪ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００７，７８：４４７４５６．　　　　　　　　　　　Ｅ８］熊峻江，刘洪天，寇长河，等．复合材料可靠性设计的小子样系数　—　法ＥＪ］．复合材料学报，２００１，１８（３）：１１１１１８．　　　　　　　　　［９］邓建，古得生，李夕兵．确定可靠性分析Ｗｅｉｂｕｌ１分布参数的概率　—　加权矩法［ｊ］．计算力学学报，２００４，２１（５）：６０９６１３．　　　　　　　　［１０］傅惠民．分散性和落入概率整体推断方法ＥＪ］．机械强度，２００６，—　　２８（２）：２１６２１９．　　　　　　　　收稿日期：２００９０４１３；修订日期：２００９１１－２０　　　　　　作者简介：朱振涛（１９８１一），男，硕士研究生，现从事先进复合材料力学　　　　　　—　行为研究工作，联系地址：北京市９２００信箱１０分箱１３号（１０００７６），Ｅ　　ｍａｉｌ：ｚｔｚｈｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　米米米柴米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米栗米米米米米米米米来　　　（上接第１９页）　　　　　　　　　　Ｅ７］ＲＡＯＡＶ，ＫＵＬＤＡＲＮＩＭＭ，ＡＭＡＩＮＥＲＫＡＲＤＰ．Ｓｕｐｅｒｈｙ　　　　　　　　　ｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｉｌｉｃａａｅｒｏｇｅｌｓｂａｓｅｄｏｎｍｅｔｈｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅｐｒｅｃｕｒ　　—　—　ｓｏｒＥＪ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ，２００３，３３０：１８７１９５．　Ｅ８］　［９］　［１０］　［１１］　　　　　　　　　　—　ＲＡｏＡＶ，ＫＵＬＫＡＲＮＩＤＰ，ＳＥＴＨＴ．Ｓｕｒｆａｃｅｃｈｅｍｉｃａ１ｍｏｄｉｆｉ　　　　　　—　　ｃａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃａａｅｒｏｇｅｌｓｕｓｉｎｇｖａｒｉｏｕｓａｌｋｙｌａｌｋｏｘｙ／ｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅｓ　　　　　［Ｊ］．ｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００３，（２Ｏ６）：２６２２７０．　　　　　　　　　ＲＡＯＡＶ，ＭＡＮＩＳＨＳＫ．ＨｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴＭＯＳ／　　　　　　ＴＭＥＳｂａｓｅｄｓｉｌｉｃａａｒｅｏｇｅｌｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＢｕｌｌｅｔｉｎ，　　　２００２，３７：１６６７１６７７．　　　　　　　　　　　　ＲＡＯＡＶ，ＰＡＪＯＮＫＧＭ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｈｙｈｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅａｓ　—　　　　　　　　ａｃｏｐｒｅｃｕｒｓｏｒｏｎｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｉｃａａｒｅｏｇｅｌｓ［Ｊ］．　　　　　　　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ，２００１，２８５：２０２２０９．　　　　　　　　　　　ＲＡＯＡＶ，ＨＡＲＡＮＡＴＨＤ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｈｙｈｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ　　　　　　　　　　ａｓａｓｙｎｔｈｅｓｉｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｎｔｈｅｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙａｎｄｓｏｍｅｐｈｙｓｉ　［１２］　［１３］　　　　　　　ｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｉｃａａｒｅｏｇｅｌｓＥＪ］．ＭｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓａｎｄＭｅｓｏｐｏｒｏｕｓ　—　　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９９９，３Ｏ：６７２７３．　　　　　　　　ＲＡＯＡＶ，ＰＡＪ０ＮＫＧＭ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｈｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅａｓ　　　　　　　　　　ａｃｏｐｒｅｃｕｒｓｏｒｏｎｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｉｃａａｒｅｏｇｅｌｓ［Ｊ］．　　　　—　　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ，２００１，２８５：２０２２０９．　　　　　　　—　ＦＲＩＴＺＳ，ＧＬＡＵＢＩＴＴＷ，ＳＣＨＵＢＥＲＴＵ．Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃａｅｒｏ　　　　　　ｇｅｌｓｆｒｏｍＳｉ（ＯＭｅ）４ＭｅＳｉ（ＯＭｅ）３ｍｉｘｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ　　　　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ，１９９２，１４５：８５８９．　　　基金项目：江苏省博士后科研资助计划项目（０７０１０１２Ｂ）　　　　　　　　——　收稿日期：２００９０５３０；修订日期：２００９０９２５　　　　　　　　作者简介：吴亚迪（１９８７），男，主要从事纳米复合材料的研究，联系地　　　　　　—　址：北京市海淀区８１号信箱１２号分箱（１０００９５），Ｅｍａｉｌ：ｍｉｋｋｏｗｕ＠　１２６．ｃｏｒｎ