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88 复合材料结构设计参数获得中试验标准探讨 2015年1月 复合材料结构设计参数获得中试验标准探讨 潘北辰 (北京师范大学政府管理学院,北京100875) 摘要:对于各向异性复合材料结构设计,需要得到必要的弹性常数和强度常数以实现结构设计和准确校核。本文给出了 获得弹性常数和强度常数的试验标准,对每个标准的特点和局限性进行了分析,提出了选用标准进行试验的建议。 关键词:复合材料;结构设计参数;试验方法;标准 ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2015)01008804 1引言 随着信息技术和一系列高新技术全面进入应用 时期并进入大踏步产业开发阶段,标准化被推向了 很高的经济战略高度。在知识经济时代,市场竞争 标准先行的特征尤为突出,当今的技术标准中,特别 是高新技术方面,越来越多地涉及到科技成果和专 利技术1]。标准竞争使得产业利益分配朝标准先行 的公司倾斜,其他公司使用标准和专利的成本越来 “ ” 越高。中国企业在市场换技术的年代里采取了 跟随战术,他们在付出了高昂的标准专利费后发现 市场已经改变,渐渐意识到科技创新和标准的重 要性引。 结构设计是复合材料的关键技术之一,复合材 料的科技创新离不开结构设计,因为复合材料结构 设计不同于金属结构设计,它是包含材料设计和结 构设计在内的一种新的结构设计方法,比常规的金 属结构设计方法要复杂得多J。为了结构设计的需 要,必须获得必要的单层性能和层合板性能参数,单 层性能和层合板性能参数的真实可靠直接关系到设 计是否合理,然而复合材料的增强材料种类很多,铺 层方式和成型工艺多样,因此只有通过选用合适的 标准进行试验后,方能获得可靠的性能参数。 2必要的弹性常数和强度常数 本文采用笛卡尔坐标系描述材料主轴坐标系, 用1轴、2轴和3轴来表示材料的主轴,见图1,其中 — 1.2为面内,1.3和23为层间。以E表示拉伸模量、 表示泊松比、G表示剪切模量、丁表示剪切强度、 表示拉伸强度、or表示压缩强度。 图1材料主轴坐标系 对于各向异性复合材料结构设计,需要得到9 个弹性常数和9个强度常数以实现结构设计和准确 校核,这些弹性常数和强度常数的具体数值通常选 择表1的某一试验标准进行试验后获得。 表1常用试验标准 常数名称 常用试验标准 1轴拉伸模量E- 2轴拉伸模量E2 泊松比12、23、13 1轴拉伸强度" 2轴拉伸强度n GB/T1447纤维增强塑料拉伸性能试验方法[;GB/T3354定向纤维增强塑料拉伸性能试验方 法[];GB/T1458纤维缠绕增强塑料环向试样拉伸性能试验方法[];ISO527.5塑料拉伸性能的测定, 单向纤维增强塑料试验条件;ASTMD3039聚合物基复合材料拉伸性能的标准试验方法[;ASTM D2290利用开口圆盘法测定环或管状塑料及增强塑料的表观拉伸强度[ — 收稿日期:201408-05 作者简介:潘北辰(1976一),男,博士,主要从事材料标准化研究 ’ 警(矗: 2015年第1期 玻璃钢/复合材料 89 面内剪切模量G12 面内剪切强度12 层问剪切模量Gl3、G23 层问剪切强度l3、23 1轴压缩强度or。。 2轴压缩强度2 面外压缩强度 层间拉伸模量 层间拉伸强度 GB/T3355纤维增强塑料纵横剪切试验方法l1;GB/T28889复合材料面内剪切性能试验方法¨ ;ISO14129纤维增强塑料复合材料用 ̄45。拉伸试验方法测定剪切应力/剪切应变响应,包括面内 剪切模量和剪切强度ll;ASTMD3518利用+45。层合板拉伸试验得到聚合物基复合材料面内剪切响 应的试验方法l14];ASTMD5379利用V型缺口粱测定复合材料剪切性能的试验方法lJ;ASTMD4255 用轨道剪切测定复合材料剪切性能的试验方法【16];ASTMD5448环向缠绕聚合物基复合材料圆管面内 剪切性能的试验方法l17];ASTMD7078V型缺口轨道剪切测定复合材料剪切性能的试验方法[1S];ISO 15310纤维增强塑料复合材料用板扭头测定面内剪切模量【19];GB/T1450.1纤维增强塑料层间剪切强 度试验方法l2u;JC/T773纤维增强塑料短梁法测定层间强度_2;ISO14130纤维增强塑料复合材料 短梁法测定层问强度 GB/T3856单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法;GB/T5258纤维增强塑料面内压缩性能 试验方法[];ISO14126纤维增强塑料面内压缩性能试验方法[];ASTMD3410利用剪切夹具加载具 有无支持测量段的聚合物基复合材料压缩性能[ASTMD6641利用联合加载压缩试验夹具的聚合物 基复合材料层合板的压缩性能。;GB/T1448纤维增强塑料压缩性能试验方法 ASTMD7291纤维增强聚合物基复合材料厚度方向平拉强度和弹性模量标准方法[;GB/T4944 玻璃纤维增强塑料层合板层间拉伸强度试验方法[。 3各试验方法的特点和局限性 3.1拉 伸 Ⅱ GB/T1447的型试样,在测试 时,试样宽度为25r am,对O。纤维、0。纤维占多的复合材料或 碳纤维等高性能纤维复合材料,破坏载荷较大,经常 导致加强片脱落致使无法继续加载,增加测试的难 — 度。GB/T3354、ISO5275和ASTMD3039,试样宽 度为15mm,对于一些织物增强复合材料,由于织物 的尺寸效应对测试结果有较大影响。 上述各试验方法均使用端部加强片,加强片的 目的是试图以最小的应力集中将来自夹头的载荷分 布到试样上。然而设计不当的加强片界面将使破坏 发生在邻近加强片的部位,导致非常低的测试强度 值。胶接加强片的胶粘剂对结果的影响远大于加强 片的角度。成功的设计是采用足够韧性的胶粘剂而 不是加强片的角度J。 GB/T1458和ASTMD2290无法测得泊松比和 or,得到的orr值离散较大。 综上,对0。纤维、0。纤维占多的复合材料或碳纤 维等高性能纤维复合材料,建议按GB/T3354、ISO— 5275和ASTMD3039试验,对性能较低或一些织物 Ⅱ 增强复合材料,建议采GB/T1447的型试样,按 GB/T1447试验。 3.2剪切 GB/T3355、ISO14129和ASTMD3518均利用 +45。层合板拉伸试验,得到复合材料面内剪切响应, 该试验方法具有测试试样简单、不需要夹具以及采 用引伸计进行应变测试的特点。并已证明和其他剪 切试验方法的模量测试具有良好的一致性。尽管很 “” 多人认为试样的应力状态可能不纯,但它的响应 确实模拟了结构层合板中的实际应力状态和铺层相 互的作用,对于设计者来说是比较实用的_4J。 GB/T3355、ISO14129和AsTMD3518仅适用± 45。均衡对称铺层的层合板试样。在整个工作段存 在面内正应力分量,且在自由边界处存在着复杂的 应力场,因此所计算的破坏剪应力值并不是材料的 剪切强度值。特别是在大变形时,随着应变的增加 导致纤维方位逐渐变化,逐渐偏离纤维方位假设。 ISO14129和ASTMD3518都规定在5%剪应变时终 止试验,以5%剪应变时的剪应力作为极限剪切强 — 度,GB/T33552005对此没有规定,在新修订的GB/ T3355中已作了相应的修改。 ASTMD5379和我国标准《聚合物基复合材料 剪切性能V型缺口梁试验方法》(报批稿),有一比 较突出的优点,不仅可测得G 通过改变试样 的方向,还可测得G:、G。、G:、G。和G。。从图2试 样的剪力图和弯矩图可以看出,试样工作区处于恒 剪力而弯矩为零的区域,V型缺口影响沿加载方向 的剪应变,使剪应力分布更加均匀。剪力分布的均 匀度为材料正交各向异性的函数,在[0/90]类型 层合板上已经获得最佳的所有面内剪切结果J。然 而试样工作段处于恒剪力而弯矩为零仅是理想状~ jl尊 ~j镪&lll 2・|。 复合材料结构设计参数获得中试验标准探讨 2015年1月 态,实际情况是夹具对试样施加的是分布载荷,它会 对剪应变的分布和正应力分量产生影响,该影响对 [90]含± 45。铺层试样特别不利。加载过程中 可能发生试样的扭转,扭转影响强度,特别是模量的 试验结果。—器 ==F二一瑙一 试样剪力图和弯矩图 GB/T28889、ASTMD7078与AsTMD5379有很 多相似之处。GB/T28889、ASTMD7078大大改善 了ASTMD5379对[90]、含± 45。铺层试样特别不利 的状况。加载过程中的扭转,特别是试样两边螺栓 的扭力不一致时,对试验结果有较大影响。试样缺 口处的宽度达3lmm,对某些层合板,难以加载至破 坏的现象时有发生。 ISO15310要求有特殊的试验夹具,加载点定位 困难,不适合于获取剪切强度数据。ASTMD4255 要求有特殊的试验夹具,结果易受试样加工缺陷影 响,所得的数据离散较大。ASTMD5448的试样为 纤维缠绕圆管,试样制备的费用高,端部夹持处存在 应力集中,容易造成在夹持区内破坏。 GB/T1450.1、JC/T773和ISO14130仅能测得 层间剪切强度,不能测得剪切响应。GB/T1450.1 试样型式存在应力集中,所得的数据离散较大。 综上,测G、'/'12时,建议按GB/T3355、ISO14129、 ASTMD3518和ASTMD5379试验,并在5%剪应变 时终止试验;测[0]、[0/90]层合板的剪切参数 时,按ASTMD5379试验;测[90]、含± 45。铺层或 织物增强层合板剪切参数时,按GB/T28889、ASTM D7078试验。 3.3压缩 除试样加工影响外,受试样几何尺寸、对中和夹 峨棚 具的影响,采用不同的方法,所测得的压缩强度是不 同的。其中夹具设计和加工精度尤为重要,夹具的 过度约束可能遏制某些实际的破坏模式,导致测试 值偏高;但如没有合适的约束,会发生试样端部开 花、屈曲等破坏,导致测试值偏低。所有标准仅给出 夹具的型式,没有规定夹具的材质、尺寸、加工精度 等细节,因此使用者需根据经验、摸索等设计加工合 适的夹具。 GB/T3856、GB/T5258、ISO14126和ASTM D3410圆锥形剪切加载夹具存在试样安装和应变测 量难度较大的问题。GB/T3856没有规定在测试过 程中判别试样是否弯曲或屈曲,且试样宽度仅为 6mm,对一些材料存在尺寸效应,影响测试结果。 GB/T5258和ISO14126给出了端部加载夹具,该夹 具仅适用低性能的材料,如短纤维复合材料、连续纤 维复合材料较弱的方向。GB/T3856和GB/T5258 没有规定模量的取值范围,期望修订时增加。GB/T 5258和ISO14126的联合加载以及ASTMD6641的 联合加载,试验方法依赖于试样与夹具间的高摩擦 系数。 GB/T1448要求试样厚度为4mm以上,更适合 面外压缩性能测试。 综上,测定面内压缩强度和or时,建议采用 剪切加载方式,按GB/T5258、ISO14126和ASTM D3410进行试验;测定面外压缩强度以时,按GB/T 1448进行试验。 3.4层间拉伸 复合材料层间拉伸的国外标准并不多,较为成 熟的标准方法有ASTMD7291。我国尚没有制订测 定层间拉伸模量E的标准,GB/T4944仅能测定层 间拉伸强度,不能测定E。因此,期望制定测定 的国家标准,或在修订GB/T4944时增加测定E。 4结论和建议 (1)复合材料的增强材料种类很多,铺层方式 和成型工艺多样,除受试验板制备和试样加工影响 外,采用不同的标准,其试样几何尺寸、试验条件等 不尽相同,因此试验结果是不相同的; (2)每个标准均有其优点和局限性,需结合增 强材料种类和铺层方式,选择合适的标准进行试验, 方能获得真实可靠的复合材料结构设计参数; (3)建议积累试验数据,有条件时建立材料参 数数据库。 2015年第1期 玻璃钢/复合材料 91 参考文献 [1]孙敬水.发达国家标准化战略及其对我国的启示[j].科研管 理,2005,(1):1_8. [2]胡中永,等.新材料研发与标准化的有机结合[J].中国标准化,— 2010,(1):1012. [3]李顺林,王兴业.复合材料结构设计基础[M].武汉:武汉工业大 学出版社,1996.199. [4]美国军用手册MIL-HDBK-17F复合材料手册第一卷聚合物基 复合材料结构材料表征指南[M].北京:中国航空综合技术研究 所出版,2004.254-282. — [5]GB/T14472005,纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S]. — [6]GB/T33541999,定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法[s]. [7]GB/T1458-2008,纤维缠绕增强塑料环向试样拉伸性能试验方 法[s]. — — [8]ISO5275:2009,Plastics-DeterminationoftensilepropertiesPart 5:Testconditionsforunidirectionalfibre-reinforcedplastic composites[s]. [9]ASTMD3039-07,StandardTestMethodforTensilePropertiesof PolymerMatrixCompositeMaterials[S]. — [10]ASTMD229000,StandardTestMethodforApparentHoopTensile StrengthofPlasticorReinforcedPlasticPipebySplitDiskMethod [S]. — [11]GB/T33552005,纤维增强塑料纵横剪切试验方法[s]. — [12]GB/T288892012,复合材料面内剪切性能试验方法[s]. — [13]ISO14129:1997,Fibre-reinforcedplasticcompositesDetermi- nationofthein-planeshearstress/shearstrainresponse,including thein-planeshearmodulusandstrength,bytheplusorminus45 degreetensiontestmethod[S]. — — — [14]ASTMD351807,StandardTestMethodforInPlaneShearRe sponseofPolymerMatrixCompositeMaterialsbyTensileTestofa  ̄45。Laminate[S]. — [15]ASTMD537912,StandardTestMethodforShearPropertiesof — CompositeMaterialsbytheVNotchedBeamMethod[S]. [16]ASTMD4255:叭,StandardTestMethodforIn.PlaneShearProper- tiesofPolymerMatrixCompositeMaterialsbytheRailShear Method[S]. [17]ASTMD5448:06,StandardTestMethodforInplaneShearProper- tiesofHoopWoundPolymerMatrixCompositeCylinders[S]. [18]ASTMD7078:05,StandardTestMethodf orShearPropertiesof — CompositeMaterialsbyVNotchedRailShearMethod[S]. — —— [19]ISO15310:1999,FibrereinforcedplasticcompositesDeterrni — nationoftheinplaneshearmodulusbytheplatetwistmethod[S]. [20]GB/T1450.1-2005,纤维增强塑料层间剪切强度试验方法[s]. — [21]JC/T7732010,纤维增强塑料短梁法测定层间强度[s]. —— [22]ISO14130:1997,Fibre-reinforcedplasticcompositesDetermi — nationofapparentinterlaminarshearstrengthbyshortbeam method[S]. — [23]GB/T38562005,单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法 [S]. — [24]GB/T52582008,纤维增强塑料面内压缩性能试验方法[s]. — — [25]ISO14126:1999,FibrereinforcedplasticcompositesDetermi- — nationofcompressivepropertiesintheinplanedirection[S]. — [26]ASTMD341003,StandardTestMethodforCompressiveProperties ofPolymerMatrixCompositeMater — ialswithUnsuppo ̄edGageSec tionbyShearLoading[S]. [27]ASTMD6641-09,StandardTestMethodforCompressiveProper- tiesofPolymerMatr ixCompositeMaterialsUsingaCombined LoadingCompression(CLC)TestFixture[S]. — [28]GB/T14482005,纤维增强塑料压缩性能试验方法[s]. — [29]ASTMD7291:07,StandardTestMethodforThroughThickness” — FlatwiseTensileStrengthandElasticModulusofaFiber ReinforcedPolymerMatrixCompositeMaterial[S]. — [30]GB/T49442005,玻璃纤维增强塑料层合板层间拉伸强度试验 方法[s]. ’’ DISCUSSoFTESTSIANDARDI0BTAllGC0MP0SITEMATElUAL STRUCTUREDESIGNPARAMETERS PANBei.chen (SchoolofGovernment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China) Abstract:Foranisotropiccompositestructuredesign,itisnecessarytogetthenecessaryelasticconstantsand strengthconstantstoachievestructuraldesignandaccurateverification.Toobtaintheelasticconstantsandintensity — constants,thispaperprovidedteststandards,analyzedthecharacteristicsandlimitationsofeachstandard,andpro posedteststandardselectionrecommendations. Keywords:compositematerial;str ucturedesignparameters;testmethod;standard赫 奄|ll
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