复合材料厚板结构中起鼓缺陷对抗压性能影响的试验研究.pdf

２０１４年第４期玻璃钢／复合材料２７复合材料厚板结构中起鼓缺陷对抗压性能影响的试验研究许松健，孙启力，汪家继，冯鹏（清华大学土木工程系，土木工程安全与耐久性教育部重点实验室，北京１０００８４）摘要：利用真空导入工艺生产的纤维增强复合材料往存在诸多起鼓现象。本文利用精密加工的钢材模具生产的构件进行轴压试验，得到正常构件与起鼓构件的荷载一位移曲线和破坏模式。试验显示起鼓构件的承载力为正常构件的６６．４％，且起鼓构件均在外层树脂出现贯通竖向裂缝。结合有限元建模的手段，得出了基于树脂部分Ｍｉｓｅｓ应力的强度校核准则。关键词：真空导入；复合材料；起鼓；抗压；破坏模式；极限承载力———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０４００２７０５１引言真空导入工艺是在模具上铺设增强材料，在表面覆盖真空袋膜，抽出膜中的空气形成负压，把树脂通过预铺的管路压人纤维积层中，使树脂浸润增强材料，树脂固化后揭去真空袋，就得到了复合材料制品。由于真空导人工艺的纤维铺设方便、形状灵活，并且能实现较高的纤维含量，结构性能较好，因此在大型复合材料结构的制造中经常采用，在风机叶片、船艇、汽车、建筑、桥梁等结构中都有应用。例如，在风机叶片的生产中，闭模真空浸透工艺适用于大型叶片、大批量的生产，被认为效率高、成本低、质量好，因此为很多生产单位所采用；在船舶工业中，英国ＶｏｓｐｅｒＴｈｏｍｙｃｒｏ￣公司采用该工艺制造了Ｓａｎ－ｄｏｗｎ级猎扫雷舰的所有上层建筑和船体的部分结构，具有很强的爆炸冲击载荷；在汽车工业中，威海光威集团有限公司采用此工艺制备出了高质量的汽车复合材料引擎盖，和金属引擎盖相比，具有显著的减重效果；在桥梁中，美国圣地亚哥大学为军队设计的一座浮桥桥面及侧壁采用了该工艺，由７０ｔ重的坦克及１００ｔ重的运输车进行了５０００次测试。其中风机叶片是最有代表性的真空导入复合材料制品。在真空导人加工工艺中，往会由于模具加工的缺陷而导致如图所示的复合材料起鼓现象。以玻璃钢ＧＲＰ模具为例，在实际应用中可能出现下述三①种问题：制造模具时厚薄不一，在拼接部位闭合不②密；模具使用时间较长，在搬运与脱膜过程中的敲③打造成模具存在漏洞；模具自身刚度不足，真空导人工艺所需的压力一般在０．５～１个大气压，在抽真空时可能产生模具变形。这些问题都可能导致复合材料构件出现起鼓现象。既使得复合材料外形变化，也影响了纤维转向，并最终导致构件强度降低。谢富原等基于大量复合材料构件无损检测数据的统计结果，给出了非等厚层板的变厚梯度与制造缺陷的关联规律，认为变厚度区最容易出现富脂，分层次，而气孔与空隙出现比例相当。图１复合材料厚板制品中的起鼓缺陷（断面）—Ｆｉｇ．１ＴｈｉｃｋｓｌａｂＦＲＰｍｅｍｂｅｒｓｗｉｔｈｂｕｌｋｉｎｇｄｅ￣ｃｔｓ（ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ）国内外对于真空导入复合材料结构的起鼓缺陷的研究还较少，尤其是对构件强度、刚度以及应力分布状态的影响研究很少，相关的复合材料规范中也尚未给出不同荷载工况下的构件所需要满足的交货条件。对于加工正常的单向纤维增强复合材料的抗压强度有较多研究，但尚未形成广泛而统一的认识。本文首先设计制作起鼓复合材料构件和对照平板试件，通过抗压试验观察两种构件的破坏现象和收稿日期：２０１３９５作者简介：许松健（１９９２＿），男，本科生，主要从事结构工程方面的研究。通讯作者：冯鹏（１９７７－），男，博士，教授，主要从事复合材料结构工程应用的研究，￣ｎｇｐｅｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈＨａ．ｅｄｕ．ｃｎ。，ｃ｜奄ｌ２８复合材料厚板结构中起鼓缺陷对抗压性能影响的试验研究特征，继而分析起鼓现象对于抗压承载力的影响程度；基于试验数据，对试件进行有限元分析，确定寻找合适的强度准则，使用有限元方法估计起鼓构件的承载力折减系数。２试验研究２．１试件设计试验采用玻璃纤维增强的环氧基材料，为Ｅ玻纤单向布，单层名义厚度为０．３４ｒａｍ，单位重量为０．８３４ｋｇ／ｉｎ，实测其轴向模量Ｅ＝７６ＧＰａ，泊松比为０．２；树脂为Ｌｉｃａ环氧树脂厂家提供的，性能指标为杨氏模量Ｅ＝４ＧＰａ，泊松比为０．４。树脂强度为５０ＭＰａ，伸长率不低于１．５％。试件设计了带起鼓和不带起鼓的两组复合材料厚板构件，包括３个正常试件与５个起鼓试件，尺寸如图２所示。使用钢板加工成实验组与对照组的模具，在钢材精加工过程中，确保试验组的钢板圆弧段尺寸与下图一致。此后，在模具上逐层放置名义厚度为０．３４ｒａｍ的单向玻璃纤维布材料。纤维布的铺层方向均平行于构件的长边。对照组与试验组构件均放置２５层纤维布。对照组构件的纤维体积比为３４％，实验组在两端的纤维体积比为３４％，在中间起鼓部位低于此数值。图２实验组、对照组试样（箭头表不纤维布方向）Ｆｉｇ．２Ｓｐｅｃｉｍｅｎｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔｇｒｏｕｐａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ２．２试件加工在放置纤维布的同时逐层刷胶，完成刷胶后及时将模具与构件放入真空袋中抽真空２４ｈ，抽真空完成之后形成所需的试件，并人工拆除螺栓、模具。将所得构件送至相关单位切割成为厚度２５ｍｍ的试件，并切除试件两端的多余材料，打磨被切割的表面至光洁平整。由于后期打磨，实测的试件端部尺寸为２４×２４ｍｍ。其他尺寸参数与图２一致。ＦＲＰ／ＣＭ２０１４．ＮＯ．４起鼓试件的上下两边缘均存在一定起鼓现象，起鼓外形上下对称。起鼓段对应的模具是使用四个相切的圆弧依次拼接而成，生产形成的试件外形也为四段圆弧的外形。图片中自色线条即为纤维层的走向，在试件两端，纤维层基本为平行于长边方向。在起鼓部位，纤维也相应发生了转角。纤维的转向与构件外形相似。图３起鼓试件照片Ｆｉｇ．３Ｐｈｏｔｏｏｆｂｕｌｋｉｎｇｍｅｍｂｅｒｆｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ２．３试验现象将前述加工完成的试件放置于加载仪器中进行单轴压缩加载，两端已经打磨平整，中心居中，上下通过仪器的加载板进行轴压试验。在加载过程中，通过加载仪器记录试件的荷载位移数据。对照组试件与试验组时间的荷载位移曲线比对如图４所示。试验组与对照组的加载曲线近似为直线段，在加载达到极限承载力的５０％左右时开始听到碎裂声音，在达到极限承载力时，听到明显、清脆的碎裂响声，荷载迅速下降至很低的水平。其中，正常构件的荷载位移曲线在达到极限承载力之前几乎保持直线。蚕锚框图４试验荷载一位移曲线—Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｌｏａｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｎｏｒｍａｌｓｐｅｃｉｍｅｎａｎｄｂｕｌｋｉｎｇｓｐｅｃｉｍｅｎ２０１４年第４期玻璃钢／复合材料２９三个正常试件与五个起鼓构件发生的破坏均为典型的复合材料分层破坏，均没有出现断裂破坏现象。将起鼓试件编为１、２、３、４、５号，正常构件编为６、７、８号。１号在加载过程中荷载达到６０ｋＮ附近听到清脆、碎裂声音，此后可观察到构件左右两侧起鼓部位先后出现轴向微小裂缝，最初出现在上侧起鼓处，而后逐渐向上向下发展贯通。达到最大荷载时，可以听到响亮的破裂声音。卸载后取下构件，构件已分裂为５块竖向小块，断面光滑平整。图５为２号构件加载后的照片。２、３、４、５号构件破坏程度较小，均在构件起鼓的一侧出现竖向贯通裂缝，另一侧完好。裂缝在构件内部基本贯通，可沿着裂纹将最外层材料剥离。正常构件６号约在８０ｋＮ听到碎裂声，此后观察到构件在外侧出现裂缝，达到最大荷载时也可听到响声。卸载后取下构件，可以看到构件前后两侧均有裂缝，但裂缝始终不贯通，无法手动剥离侧面材料。７号、８号构件破坏程度与６号类似，裂缝也未贯通。破坏位置均靠近构件外侧面。图５２号试件破坏现象（正反两侧照片）”Ｆｉｇ．５Ｄａｍａｇｅｍｏｄｅｏｆ２ｓｐｅｃｉｍｅｎ（ｐｈｏｔｏｓｏｆｂｏｔｈｓｉｄｅｓ）２．４试验结果比对这两类构件的破坏现象，均可以归结为树脂部分发生强度破坏，进而导致受压试件分层破坏。其中对照组为正常的等截面受压构件，出现破坏裂纹的位置均靠近构件外侧面，裂缝在高度上的分布没有显著规律。试验组为起鼓构件，出现的裂缝均—在外侧３５ｒａｍ位置，且裂缝在高度上总位于构件外形变化显著的部位，说明起鼓构件在外侧曲线显著变化的区域有较大的应力集中，在受压工况下导致树脂首先破坏。试验组与对照组的相关承载力数据如图６所示。其中试验组各个构件承载力均小于对照组的各个构件。该试验说明此类起鼓现象往会导致构件出现树脂部分应力集中，进而使得构件的承载力降低。起鼓构件正常构件图６正常构件、起鼓构件承载力比对Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ本实验的两组构件承载力离散数据详见表１。可以看到，两组构件的变异系数均较小，具有较好的代表性，可以体现出变厚度构件确实存在应力集中与承载力下降的现象。其中起鼓构件的极差、标准差略大，正常试件的离散程度略小。这是由于真空袋抽真空时，起鼓构件的树脂分布、纤维转角的随机性较大。通过上述实验结果可知，本文研究的厚度２４ｍｍ的复合材料板，在左右两侧起鼓５ｍｍ时，抗压承载力平均值为平板构件的６６．４％。在工程中可采用类似的试验方法，对典型的起鼓构件的强度进行标定。３有限元分析３．１有限元建模采用ＡＮＳＹＳ建立厚板复合材料的细观模型，基于平面应力二维问题，将树脂层与纤维层分别建模，使用的单元为ＰＬＡＮＥ４２。在正常构件模型中，分别建立１１个等宽度纤维区段，１２个等宽度树脂区段，纤维区段与树脂区段逐一间隔排列，确保纤维部分的纤维体积比为３４％；在起鼓构件模型中，确保构件上下两端部分的纤维部分体积比为３４％，而在起鼓部位，纤维区段面积不改变，每一层树脂面积增大，导致整体外形起鼓。与实际构件中纤维布的厚度基本变树脂的集中导致起鼓的现象一致。设定单元尺寸为０．１ｍｍ，进行计算。首先，限制上下表面的中点的侧向位移为０，用以限制刚体位移。再设定下表面各个节点轴向位移为０，上表面的所有节ｚｏｉ４●■●●一Ｉ●■■■一Ｉ■■■■■一Ｉ—一一■■Ｉ一■●■Ｉ一■■Ｉ—●●●■一●●ｌ瑚啪如０，獬椁２０１４年第４期玻璃钢／复合材料３１使用上述Ｍｉｓｅｓ准则得出的破坏荷载与实验结果非常接近，有限元预测得出的变厚度构件承载力为正常厚度构件的６５．９％，这也与实测结论的６６．４％非常接近，因而可以使用这种有限元模型来分析这一类型的构件的承载力下降现象。４结论通过本文的研究，可以得到以下两个重要结论：（１）通过试验获得了起鼓现象对于构件受压承载力的影响，在试验条件下大小降低为正常构件的６６．４％，并与有限元结果吻合很好；（２）通过试验获得了起鼓构件的破坏现象为外层树脂在起鼓斜率较大的部位首先出现裂缝，而后裂缝发展贯通，造成构件失效，并用有限元分析揭示了基于Ｍｉｓｅｓ准则的破坏机理。参考文献［１］顾王飞．真空导人工艺的应用介绍［ｃ］．２００８．２１５－２１７．［２］何东晓，黄力刚，杨松，安庆升．我国复合材料风机叶片的几种—制造工艺与发展前景［Ｊ］．纤维复合材料，２００７，（２）：１２１４．［３］曹明法，杨磊．复合材料在舰船设计建造中的应用［Ｊ］．上海造船，２００６，（２）：３８＿４３．［４］曹令俊．复合材料在汽车工业中的应用及发展趋势［Ｊ］．汽车工—艺与材料，２０００，（１２）：３１３３．［５］杨左．复合材料在土木建筑基础结构中的应用发展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００１，（０５）：５４－５５．—［６］顾王飞．模具在真空导人工艺的应用［Ｃ］．２００８．１９３１９４．［７］谢富原，王雪明，李敏，戴棣，王菲，张佐光．复合材料结构几何要素与制造缺陷的关联分析［Ｊ］．材料工程，２００９，（ｓ１）：８４－８８．［８］翟可为，陈立，钟立明，江克斌．单向纤维增强复合材料纵向压缩强度细观分析理论评述［Ｊ］．工业建筑，２０１１，（Ｓ１）：６１３－６１９．ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹ０ＮＢＵＬＫＩＮＧＤＥＦＥＣＴＳＥＦＦＥＣＴＩＮＧＯＮＣｏＭＰＲＥＳＳＩｏＮＢＥＨＡＶＩｏＲｏＦＴＨＩＣＫＦＲＰＬＡＭＩＮＡＴＥＳ—ＸＵＳｏｎｇ－ｊｉａｎ，ＳＵＮＱｉｌｉ，ＷＡＮＧＪｉａ－ｊｉ，ＦＥＮＧＰｅｎｇ（ＴｈｅｋｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳａｆｅｔｙａｎｄＤｕｒ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