（纺织工程专业论文）层合板复合材料层间剪切强度评价方法的研究.pdf

摘要 有限元分析。有限元分析所需的材料物性值通过代表体积单元 ( r v e ) 法计算出。 对有限元分析的基本过程进行了研究，确立了适用于本试验的有限元分析方案。 用命令输入的方法实现了模型建立、网格划分、模型加载以及结果求解，并在交 互界面完成了结果的分析。 将有限元分析的结果与实验结果进行了对比分析。分析和考证了槽间距、材 料物性值以及加载方式等因素对剪切面上应力分布情况的影响。分析结果表明采 用4 .8 m m的 槽间 距能 够获 得 接 近材 料真 实 物 性 值的 层间 剪 切强 度。广 一 丫 一 、 ， 、 一粉、 天堤例 :层合板复合材料 ; 层间剪切强度 ; 测试与评价方法 : 试验片形 状与尺寸 :有 限 元 分 袱剪 切 应 力 分 布 a 日 st r a c t e v a l u a t i o n o f i n t e r l a mi n a r s h e a r s t r e n g t h o f l a mi n a t e s abs tract t h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n s t a t u s o f t h e t e s t m e t h o d f o r i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h o f l a m i n a t e s w a s i n t r o d u c e d ; p r a c t i c a l i m p o rt a n c e o f i t s s t u d y w as p o i n t e d o u t . t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f a v a i l a b l e i n t e r l a mi n a r s h e a r s t r e n g t h t e s t a t h o m e a n d a b r o a d w e r e s u m m a r i z e d . t h e d o u b l e - n o t c h me t h o d w a s s e t a s t h e m a i n s t u d y o b j e c t o f t h i s a rt i c l e , a n d t h e s h a p e a n d d i m e n s i o n o f t h e s p e c i m e n w e r e i m p r o v e d a n d r e d e s i g n e d . t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l m e t h o d s w e r e u s e d f o r t h e a n a l y s i s o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s p e c i m e n s k e y d i m e n s i o n a n d t h e r e s u l t s , a n d t h e f a v o r a b l e s h a p e a n d d i m e n s i o n o f t h e s p e c i m e n w e r e e s t a b l i s h e d . d o u b l e - n o t c h i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h t e s t i s a n e ff e c t i v e t e s t i n g m e t h o d u s e d t o t e s t t h e i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h o f l a m i n a t e s . t h e d i m e n s i o n s o f i t s f i x t u r e s a r e s m a l l , i t s s t r u c t u r e i s s i m p l e , a n d t h e i n t e r l a m i n a r s h e a r b r e a k i s e a s y t o a c q u i r e . t h o s e c o n s i d e r a t i o n s b e c o m e m o r e i m p o r t a n t i n c ryo g e n i c t e m p e r a t u r e . b u t i n t h e t e s t , t h e s t r e s s e s o n t h e s h e a r p l a n e a r e n o t t o t a l s h e a r s t r e s s , t h e e x i s t e n c e o f t h e v e rt i c a l s t r e s s t a k e s d i ff e r e n t e ff e c t s i n t e n s i o n a n d i n c o m p r e s s i o n t e s t , a n d t h e r e s u l t s a r e d i ff e r e n t . t h e t e s t i n g s t a n d a r d i n c o m p r e s s i o n h a s s u p p o rt i n g j i g , a n d t h e t e s t i n g s t a n d a r d i n t e n s i o n h as g r i p , w h i c h p r o d u c e fr i c t i o n . t h i s p a p e r a i m e d a t a c q u i r i n g t h e r e a l i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h i n t e n s i o n t e s t . a n e w s p e c i m e n w as d e s i g n e d , t w o h o l e s w e r e o p e n e d a t t h e e n d s o f t h e s p e c i m e n a l o n g t h e s h e a r p l a n e . s o , t h e p r o b l e m s c a u s e d 饰s p e c i m e n h o l d i n g w e r e s o l v e d . t o v e r i f y t h e f e asi b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e t e s t m e t h o d , t w o k i n d s o f l a mi n a t e s w e r e s e l e c t e d . b o t h o f t h e m u s e d g l a s s f i b e r p l a i n w e a v e d f a b r i c as r e i n f o r c e d m a t e r i a l t h e m a t r i x i n m a t e r i a l n o . l w a s u n s a t u r a t e d p o l y e s t e r , a n d t h r e e k i n d s o f s p e c i m e n s w i t h d i ff e r e n t n o t c h s i z e s w e r e m a d e . t h e m a t r i x i n m a t e r i a l n o . 2 w a s e p o x y r e s i n , f i v e k i n d s o f s p e c i m e n w e r e m a d e . t h e m a x i m u m l o a d s w e r e o b t a i n e d b y e l e c t r o n i c u n i v e r s a l s t r e n g t h t e s t i n g m a c h i n e , a n d t h e l o a d - d i s p l a c e m e n t c u r v e s w e r e g i v e n . t h e r e s u l t s w e r e p r o c e s s e d b y mi c r o c a l o r i g in s o ft w a r e . f r a c t u r e s u r f a c e s w e r e e x a m i n e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y t o v e r i f y t h e f a i l u r e m e c h a n i s m s . f i n i t e e l e m e n t a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d t o a n a l y s i s t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n . p r o p e rt i e s o f t h e t e s t m a t e r i a l s w e r e d e r i v e d u s i n g r v e m e t h o d . a n s y s 5 .4 / e d s o ft w a r e w a s u s e d t o s e t u p m o d e l , m e s h e l e m e n t s , l o a d f o r c e s a n d s o l v e th e p r o b l e m . t h e r e s u l t w as a n a l y z e d i n i n t e r a c t i v e m o d e . i i i a b st r a c t t h e c o n s i s t e n c y o f t h e e x p e r i m e n t a l a n d n u m e r i c a l r e s u l t s w a s a n a l y z e d . t h e e ff e c t s o f n o t c h d i s t a n c e , m a t e r i a l p r o p e rt ie s a n d l o a d i n g m e t h o d t o t h e a p p a r e n t i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h w e r e s t u d i e d . t h e e ff e c t o f t h e v e rt i c a l s t r e s s t o a p p a r e n t i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h w a s i n v e s t i g a t e d . a n a l y s i s s h o w e d t h a t n o t c h s i z e 4 .8 m m c o u l d p r o d u c e a m o r e r e l i a b l e r e s u l t . k e y wor ds : la m i n a t e s ; i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h ; t e s t a n d e v a l u a t i o n a n d d i m e n s io n o f t h e s p e c i m e n; f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s; s t r e s s d i s t r i b u t i o n s h a p e s h e a r i v 天 津 工 业 大 学 研究生学位论文附件( 随论文附) 姓 名m . ; 霞 学位层次 专 业马 分 、 几 农_导 师 七 那 论 文 题 目 : 层 合 极复 a a料反 间 f rw w - vhr 认 4 4 k . 论文新观点、 新内容、 新方法及创新点有哪些?在国内、 外处于何水平?有何实际指导 意义? 木 ft .- 阂 划新点 在 才在 d v 1 3 国 闪 外 各 材p, io 1 匆 初 皿度 侧a件 仇今 么 佑 认点 fi -) vit 上 ， i用 双 t /) 二 层 间 a 0 u , 度 砰 们犷11 1 9 主要 研绳 词家。 y4 i w, 八 田开 3 j 尺 . k 载5 j进 衍3 议 进傲 计 . 诏 j 叉 3 双 切“ 川中 人 写 红 斌 毛 侧o ff d f j s 响由 屹点 ， ， l-;- / a 6 风; 沙 解沃拄伸aq减 片 a ivv 手 扣摘 印 间 题 将 火 笑 晰未 阂 调 ， 失 持仪 汐 在v u 片 上 开 4 l , , 入a 4 4 l j 电 - f .5 l 4 f a 童询传考曲 沙 解叼 勿 tip 1 彩 m . 崎 儿 中 、与 fy o o+ q 卉 味持丘 同 一 平 面 上，采w m1 u 0 折与 寒 挫 相 酷 合 阂 参 么对 议 进9, i t q ly l 试件灯多 么进 询 二 胜址. 确立 3 l ,1 于 未 1+ 1 1 1 , 14 i) 撮i - 糟间 l lk4 . j 封 搞有 限屯 公 祈长 太支 旧 牙复 合 材科夕 9 ,r - 能a - i t f r r- 兮 柳， 井 x 1 ,a kt) 4 - t s - n ,弓 瓜进 负 二 研) 5 操t 4 - l e k v - 呈田工 ， 下 ， 化 交 乡 l ir 垦 砒lt 4 ff t . 正 确 晓 之 卞 c in u合 村 科保汪 共 侠 闹 夜 呈 和 室 全比 徒谈3 q 4k - fo 划成w a 。 斌 ， ， ，年 ， 月 二 日 引言 引言 信息、能源和材料被称为现代科学的三大支柱。人类的进步与人类应用材料 的进步有着密切的联系， 可以说一个国家应用材料的进步情况反映了 这个国家的 经济状况。现代的材料科学领域把材料分为四大类，即金属材料、无机非金属材 料、有机高分子材料及复合材料。复合材料是材料领域的后起之秀，是一种新型 的工程材料。 复合材料是由增强相、基体和填料通过人工复合工艺制造的， 具有多相细观 结构的， 有特殊性能的固体新型材料系统. 组分相材料除界面有弱化学反应外， 基 本上是物理的结合。复合材料按用途分为结构复合材料和功能复合材料;按基体 材料分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料;按增强材料分 为粒子增强复合材料、薄片增强复合材料、纤维增强复合材料;按结构分为单层 复合材料 ( 包括纤维、颗粒与碎片增强复合材料) 、层状复合材料 ( 又称层合板) 与填充骨架型复合材料。其中，聚合物基复合材料 ( f r p )以其比强度高、比刚 度大、重量轻、耐腐蚀、成形性好等优点，已大量作为各类结构材料、功能材料 被广泛用于各个领域。 聚合物基复合材料突破了单一材料的局限性， 它具有可设计性，可根据使用 条件和要求进行设计，从而在很大程度上改善和提高了单一常规材料的理化性 能，还可通过设计解决常规材料无法解决的某些关键问 题。近 2 0多年来，聚合 物基复合材料得到了飞速发展。它不仅可用于飞机、火箭、导弹、人造卫星等军 工产品的生产，而且随着其制造工艺的不断改进和完善，成本的不断降低，它在 民用工业中的应用正获得越来越大的发展，在陆上与海上运输、建筑、机械、能 源、 化工、 生物工程， 运动器械与家用器具等工业领域都得到了日 益广泛的 应用。 可以毫不夸张的说，2 1 世纪是复合材料的时代川 。 层合板复合材料是由两层或多层单层板叠合在一起而成为整体的结构材料。 二维织物增强聚合物基层合板复合材料， 由于其加工成本低， 制品面积不受限制， 复合固化方便，加之制成的层合板具有几何形状比较稳定、力学平衡性好、形状 保持能力强，抗冲击性能优良 等特点，用作大型板材制品时显示出诸多优势，并 能满足众多领域的使用要求。 但众所周知，层合板的层间破坏强度 ( 包括层间拉伸强度，层间剪切强度及 层间断裂韧性)相对面内破坏强度而言 较弱，使用中常引起层间破坏，进而导致 整体结构过早地发生破坏， 特别是层间剪切强度( i l s s ) 较低，是设计中必须注意 的问题。层间剪切强度是层合板复合材料的一个重要参数， 层间剪切强度的测试 与评价，对于合理设计层合板，提高其层间剪切强度， 扩大其应用范围和确保其 引高 使用安全性是非常重要的研究课题圈 。 复合材料是一种结构物，可通过设计使之在一定范围内满足结构设计中对材 料强度、弹性等性能的要求。复合材料的优化设计分三个阶段，首先是材料的选 用阶段，其次是结构设计阶段 ( 铺层组合的设计) ，再次是工程实用的复合材料 结构件的设计。为了优化设计，设计者必须获得齐全可靠的性能数据。但是，目 前国内外对层间剪切强度的测定方法还存在许多问题。 我国现行标准中使用的有 短梁法、品字梁法、双切口 法，这些方法均存在一定的问题， 只能测得材料的表 观层间剪切强度数据，难以 满足设计的需要。因此，研究开发可获得材料真实层 间剪切强度的评价方法是层合板复合材料发展和应用中必须解决的问题，具有较 高的经济及社会效益。 计算材料科学 ( c o m p u t a t i o n a l m a t e r i a l s s c i e n c e ) ，又称计算机辅助材料 设计 ( c o m p u t e r - a i d e d m a t e r i a l d e s i g n ) ，是近年来迅猛发展起来的一个多学 科交叉的新兴研究领域。它吸收和整合不同的学科知识和方法，对材料进行计算 机辅助设计。 对复合材料进行定量化设计必须发展材料计算力学3 ) 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。是 一种利用计算机和矩阵运算作为工具，对复杂工程问题或结构进行计算和分析的 数值方法。它起源于 5 0年代初期的航空工业。当时，它主要用于对飞机构件作 结构力学的分析和计算。1 9 6 0 年r . w .c l o u g h 在一篇题为 “ 平面应力分析的有限 单元法”论文中正式提出“ 有限单元”的名称。后来理论工作者对它的数学和力 学原理进行了深入的 研究，发现这是一种有着广泛用途的求解偏微分方程组边值 或初值问题的数值方法。它实际上是一种分片插值的瑞雷一里兹法，在许多场合 下要比有限差分数值方法更为有效和方便，适用范围也更广。 有限元法与计算机的结合使其成为计算材料科学的一项重要工具。目前，有 限元分析技术已广泛应用于复合材料宏观力学分析及工程技术应用的各个领域， 并逐渐向细观和微观层次发展。随着对结构复合材料、功能复合材料研究的不断 深入，其研究范围也不断扩大，从原有的简单的力学分析发展为对力一电 一磁一 热祸合场理论的研究。可以这样说，目前凡是大型和重要的工程技术项目，都采 用有限元技术来作可行性分析，或作详细的计算校核、或作优化设计。有限元法 已 成为 现代工程技术人员必须掌握的一种基本分析工具4 1 本课题首先对国内外各种层合板复合材料层间剪切强度的评价方法进行了 分析与研究，针对双切口拉伸剪切试验法的夹具、加载方式及试验片形状与尺寸 进行了改进设计。然后通过实验验证了试验方法的可行性与可靠性。再结合对试 验片应力分布的有限元计算，对试验片形状与关键尺寸进行了优化设计，力求获 得在剪切面上均匀分布的纯剪切应力，为正确设计层合板复合材料， 保证其使用 质量和安全性提供理论依据和测试评价方法。 第_i ;- 课题的提出及怠义 第一章 课题的提出及意义 1 . 1 层合板复合材料的 层间剪切强度 对复合材料的研究一般可以分为四方面:首先是对材料性能的研究。包括对 材料机理的研究、对损伤与开裂准则的研究以及各组分材料对材料整体贡献的研 究等;其次是在性能研究的基础上建立复合材料的设计准则和模型;再次是对设 计准则和模型的具体应用，包括复合材料的结构设计与制造设备的研究;最后， 通过力学性能试验对制成的复合材料进行检验，并反馈结果，对原有的设计准则 与 模 型 进 行 改 进 13 1 复合材料是一种新兴材料，目 前对它的研究仍处于探索阶段。为了更好的了 解复合材料仍需做大量的研究工作。其中层合板复合材料层间剪切强度的研究， 由于其在实践中的重要意义，得到了广泛的关注。 层合板复合材料的层间剪切强度 ( i l s s : i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h )是指叠 层复合后相邻层产生相对位移时，作为抵抗阻力而在材料内部产生的应力大小， 也即层合板在层间剪切应力作用下的极限应力。 按照经典层合板理论，一般多向 层合板中各铺层均按平面应力状态进行分 析，不考虑垂直铺层面的应力和垂直剪切应力 ( 即层间应力) 。这在复合材料设 计的许多情况下是合适的。然而，在不少情况下层间应力是不可忽视的。例如平 板或梁在横向载荷作用下，将在横截面内产生剪应力，按照剪应力互等定律，也 即构成层间剪应力;在层合板复合材料的自山边界，由于各铺层的泊松祸合系数 或拉伸一剪切祸合系数的不同，形成一个三维应力状态的边界层区，在这一区域 存在层间应力。由于层合板复合材料抵抗层间应力的能力与基体强度同量级，故 层间应力的存在很容易导致层间的分层破坏，而层间分层将会严重降低层合板的 刚度和强度。 所以， 层间应力和层间强度等层ia 1 问 题是复合材料设计中必须考虑 的 重 要 问 题 15 1 1 . 2 层间剪切强度试验方法及其存在的问 题 要用好材料，首先就要认识材料 16 1 。 认识材料的最重要的途径就是通过材料 的性能试验。由于复合材料本身就是个结构，在进行复合材料设计时，不能只简 单的选择材料，而是要同时设计复合材料，因此复合材料的性能试验就变得很重 要。和常规材料相同，对复合材料进行性能试验的主要目的有两个:一方面是用 第一章课题的提出及意义 于确定材料的基本性能参数，供复合材料结构设计采用;另一方面是用于检验材 料质量，对材料质量进行控制和筛选。 此外，材料性能试验对于评价加工工艺、 原料性能对复合材料性能的影响也有重大意义。迄今为止，各国复合材料科学家 己发展了许多种试验方法，其中有些方法比较简单，已制定了试验标准;而有些 试验方法还不够成熟，可用于质量控制试验，却不能给出可供复合材料设计采用 的、准确的性能参数。 对二维织物增强聚合物基层合板复合材料来说，单层板是其基本组成单元。 根据经典层合板理论，利用单层板的刚度特性可以推导出任意铺层结构层合板的 刚度矩阵，结果相当可靠。然而， 层合板的极限强度却不能根据单层板的强度特 征来准确的预测。由于影响层合板强度的因素很多，在多数情况下，层合板复合 材料的强 度特征要靠直接试验的方法来获得7 1 一般说 来，层合板复合材料的层间剪切性能是很难测量的。迄今为止，虽然 己 有数种方法用于层间剪切强度的测试与评价，但这些方法都有一定的问 题，特 别是应力集中问题，影响和支配着测试结果的准确度。至今，能在测试断面上产 生均匀分布纯剪切应力的试验方法尚未确立，供设计者利用的材料数据还很少。 因此，有必要对现有的各种方法进行研究改进，以期得到一种可获取材料真实层 间剪切强度的测试评价方法。 目前，国内外作为层合板层间剪切强度测试标准的试验方法主要有短梁法、 v 型槽短梁法、品字梁法和双切口拉伸/ 压缩法。 1 . 2 . 1 三点弯曲式短梁法 ( t h r e e - p o i n t s h o r t b e a m t e s t ) 短梁法分三点弯曲式与四点弯曲式两种加载方式。通常采用三点弯曲式作为 测试层合板层间剪切强度的方 法， 并制定了 相应的 标准。 国 标3 3 5 7 - 8 2 规定: “ 本 标准采用短梁法测定单向纤维及织物增强塑料平板的层间剪切强度。 本标准多用 于选材、 质量对比和质量控制” 。美国a s t m d 2 3 4 4 - 8 4 标准中规定: “ 本试验方 法适用于一切平行纤维增强塑料剪切强度测定” ，所测得的剪切强度用于质量控 制，也可用于复合材料的层间剪切强度的比较，但不能用作材料设计标准。 短梁法试验片形状及加载方式如图1 - 1 所示: 第一章 课题的提出及怠义 图1 - 5品字梁剪切试验法的试验片形状及试验夹具 层间剪切强度计算公式如下: 尸 r = 丽( 1 - 4 ) 式中: p为试验片破坏时的最大载荷; b 为试验片受剪面宽度; h 为试验片受 剪面高度。 品字梁剪切试验法是一种单面剪切试验法，在实验中要求试验片安放平稳， 夹具调节适当，防止试验片侧滑。试验机压头要和试验片被压端面接触，避免点 或线接触，否则对实验结果影响较大。 品字梁剪切试验法夹具复杂，对试验片加工精度要求较高，测试费时费料， 所以在研究或生产实际中很少使用。 1 . 2 . 4双切口拉伸/ 压缩法 ( d o u b l e - n o t c h s h e a r t e s t s ) 双切口 拉伸/ 压缩剪切试验法是一种用于测定层合板复合材料层间剪切强度 的有效试验方法。我国g b / t 1 3 0 9 6 .3 - 9 1 规定采用双切口压缩试验法测定拉挤玻 璃纤维增强塑料杆的面内剪切强度。美国a s t m d 2 7 3 3 - 7 0 标准采用的是拉伸的方 法， a s t m d 3 8 4 6 - 7 9采用的是压缩的方法。两种方法的试验片形状及试验夹具如 图 1 - 6 所示。 ( 拉伸夹具) 双切口拉伸试验法双切口压缩试验法 图1 - 6 双切口拉伸/ 压缩试验法的试验片形状及试验夹具 第一章课题的 提出及息义 层间剪切强度计算公式如下: 尸 r 二 s刀 ( 1 - 6 ) 式中:p为试验片破坏时的最大载荷;s为试验片两槽间距;b为试验片宽 度。 双切口 拉伸/ 压缩剪切试验法夹具尺寸小、结构简单，试验片加工相对方便， 便于实施，且易产生层间剪切破坏，实验成功率较高，省时省料， 特别是适合于 超低温环境下的实验而引起国际 “ 先进材料的试验 评价”合作组织v a m a s 的 重 视 u 7 l 但是由双切口拉伸剪切试验法得到的层间剪切强度依赖于试验片的尺寸， 特 别是受槽间距的影响 较大11 8 1 ， 只能获得表观值而得不到材料的真实物性值， 如图 1 - 7 所示。 久 、 ， 一 . 706050403020100 已山盏的的曰1 1 . 6 3 . 2 4 梢间距 8 6 . 4 8 图1 - 7双切口拉伸剪切试验法的层间剪切强度与槽间距的关系 综上所述，现有的层间剪切强度评价方法还存在许多问题。而且，对于同一 种材料，山上述方法得到的层间剪切强度数据差别较大。据此对这些测试方法会 产生怀疑，作为材料固有的力学特性，即物性值应该是一定的，即使考虑材料本 身的缺陷造成的误差，也不会形成过大的差异。因此，可以认为是试验方法造成 的误差，但到底哪一种方法测得的数据更准确、更接近材料的真实物性值呢?设 计者可利用的材料数据很少，需要研究的问题还很多。上述试验方法，多数可用 于层间剪切强度的对比及品质管理。但由于应力集中等因素的影响，只能得到表 观值而得不到材料的真实物性值，不能作为设计数据直接采用。 1 . 3本课题的研究目的与构成 经理论分析与实验验证，双切口 压缩试验法被普遍认为是最经济、方便、可 靠的试验方法。与目前普遍使用的三点弯曲式短梁剪切试验法相比，容易产生层 间剪切破坏，可节省试验材料与时间。而三点弯曲式短梁剪切试验法产生层间剪 9 第一章课题的提出及愈义 切破坏较困难，故国外有的学者对采用这种方法来求层间剪切强度持完全否定的 态度。 本课题在综合分析了国内外各种层间剪切强度试验方法优缺点的基础上。 着 眼于双切口剪切试验法，分析并吸取拉伸与压缩两种负荷方式各自的优点与设计 思想，针对双切口 拉伸试验法的夹具及试验片进行改进设计。结合对试验片应力 分布的有限元计算， 对试验片尺寸进行优化设计， 使剪切面上的剪切应力分布尽 量趋于均匀，并力求获得纯剪切应力，减小夹具本身给实验结果带来的影响，以 确保获得材料真实层间剪切强度的测试与评价方法。 希望通过本课题的研究，能更准确的测定出层合板复合材料的层间剪切强 度，为正确设计层合板复合材料， 保证其使用质量和安全性提供理论依据和测试 评价方法。 第_章 双切日拉仲/l, 缩3 4 切法 第二章 双切口拉伸1 压缩剪切法 2 . 1 国内 外研究现状 美国 现行的a s t m d 3 8 4 6 - 9 4 标准中推荐采用双切口 压缩剪切法进行纤维增 强复合材料层间剪切强度的测定。 最初，美国1 9 7 9 年制定的a s t m d 2 7 3 3 - 7 0 标准中规定采用双切口拉伸剪 切法测定层合板复合材料的层间剪切强度。 试验片两端由 夹具握持，并拉伸至试 验片发生剪切破坏。但是， 采用这种方法存在许多问题。 若两端夹持力太大，容 易将试验片夹碎。若减小夹持力，夹头与试验片之间容易打滑，且夹持拉伸，会 产生弯曲 力矩，如图2 - 1 所示。在弯曲 力矩的作用下试验片提前发生破坏，使测 得的层间剪切强度值偏小。 劫 羹 摹 彗 羹羹必 p p 一 一 pp( 图2 - ，双切口拉伸剪切法受力示意图 为了解决这个问题，1 9 8 7 年， 美国制定了新的a s t m d 3 8 4 6 - 7 9 标准代替原 有标准，以压缩负荷方式代替原有的拉伸负荷方式，并在平行于剪切面的两侧用 侧挡板固定，以防止出现弯曲力矩，使剪切破坏沿着两切口间的中性面发生。侧 挡板上刻有凹槽，以减少挡板与试验片之间的摩擦。双切口压缩剪切法虽然较拉 伸剪切法有所改进，但同时又带来了其它问题。当侧挡板压力较小时，弯曲力矩 的影响难以消除，夹具与试验片难以保持中心;当侧挡板压力大时，又增加了试 验片与侧挡板的摩擦， 使得用压缩剪切法测得的层间剪切强度比用拉伸剪切法测 得的实验结果偏大。 近几年，人们又开始尝试通过改变双切口 压缩剪切试验的试验片形状来改进 试验，以期得到更可靠的层间剪切强度。 图2 - 2新型剪切试验片形状 英国的d .e v a n s p 0 设计了 如图2 - 2 所示的 试验片。一种试验片为直角槽口 第_章 双切l j 拉仲/ 1 t : 缩b 9 切法 另一种试验片槽口根部以弧形代替直角。实验结果表明:两种试验片测得的层间 剪切强度值相差不大， 但与该材料己 公布的性能数据相比 测定结果偏小。 虽然实 验结果不是很理想， 但它为我们提供了一条思路: 我们可以 通过合理设计、 改 进 试验片的形状来获得接近材料真实物性值的实验结果。 对于影响现行的双切口 层间剪切强度评价方法试验结果的各种因素，国内 外 许多学者从不同方面进行了研究。 e l k i n等用s i t( 槽间距/ 试验片厚) = 2的试验片进行拉伸剪切试验，并将切 口 根部改为弧形，通过有限元分析发现:弧形槽底存在系数为1 .5 7 的应力集中。 m a r k h a m与d a w s o n 1 9 利用 七种不同 材料进行了 拉 伸剪切 试验， 并对两槽间 的应力分布进行了 研究。 研究发现:最大剪切应力值与s i t 值的大小无关，而剪 应强度表观值随s i t 值的增大而减小。 c h i a o 12 0 等的研究表明:槽深的微小变化对最大剪应力值有很大的影响。通 过与其它剪切方法的比较他们还发现，用双切口 拉剪法测得的层间剪切强度比用 其它方法测得的要小。 d a d r a s 与m c d o w e l l 12 1 1采用二 维有限 差分分析及实 验论 证相结 合的 方法 对压 缩负荷下的试验片几何尺寸及材料弹性对最终结果的影响进行了研究。结果表 明，层间剪切强度表观值与最大剪切应力值之间的差距随s i t 的增大而增大。因 此，采用较小的s / 7 ， 可以 得到接近真实值的结果;槽宽及槽与承载点之间的距离 对槽间剪应力分布无明显影响;随着材料铺层面内弹性系数与垂直于铺层方向的 弹性系数比值的增大，剪切应力在剪切面的分布更均匀。 b o u e tt e 与c a z e n e u v e 2 2 以 碳纤维增强 环氧树 脂层合 板复合 材料为 研究对象， 研究了拉伸速度对层间剪切应力的影响，并提出用有限元计算与试验数据结合估 算剪切模量的方法。研究表明，在不同拉伸速率下测得的层间剪切强度以及推算 出的剪切模量基本相同。 s h i n d o 1 1 8 等对低温下用双切口 压缩剪切法测得的玻璃纤维增强 环氧树脂层 合板复合材料的层间剪切强度进行分析发现，在超低温下测得的层间剪切强度随 s i t 的减小而增大:槽底附近的最大剪切应力可视为层间剪切强度真实值。 f a n g 等 学者以 陶瓷 基复 合材 料为 研究对象， 采 用二维 有限 元方 法对双切口 压 缩试验片的应力场进行了解析，得出了试验片长度对应力分布影响很小的结论， 但对试验片其它尺寸的影响尚未讨论。 以上的研究虽取得了一些实验研究成果，指出了拉伸/ 剪切试验中存在的问 题，但缺乏实验与理论相结合的系统研究，以至无法正确设计和指导实验，无法 为精确的材料设计提供数据。国内层合板复合材料的应用领域还不够广，除航空 航天、 军工领域外， 其它领域的应用还在开发中， 一般的民用产品质量要求不高， 产品档次低，也很少去设计层间剪切强度，很少研究如何提高和改善层间剪切强 第三章 双切日拉f 巾i + . 缩剪切法 度，因此对层间剪切强度的测试评价方法的研究几乎是空白。 2 . 2测试方法的改进设计 2 . 2 . 1 设计思想 二维织物层合板复合材料与三维编织、 机织复合材料相比， 具有加工成本低， 不受形状与尺寸限制等优点，但层间强度，特别是层间剪切强度较低，限制了其 应用领域的扩大。对于由不同的加工方法、工艺制成的的层合板，其层间剪切强 度到底有多大， 在某些领域是否能够应用?必须研究可靠的测试与评价方法，以 扩大其应用领域，并确保使用的安全性。 作为材料的测试与评价方法，并为质量对比、生产控制和材料设计服务，必 须是简便易行，省时省料，并能获得材料的准确数据。本研究与设计始终坚持这 一思想，哪怕是微小的改进，只要能为材料设计与生产部门提供更加可靠的测试 评价方法，就可以提高产品的质量和制品的使用安全性。 2 . 2 . 2 设计方案 针对双切口压缩试验法存在的问题，主要是加载方式、夹具及试验片结构与 尺寸进行了重新设计。吸取双切口拉伸试验法无侧挡板摩擦影响的优点，改加载 方式为拉伸;为解决拉伸时试验片在钳口下打滑的问题，将夹具由原来的钳口夹 持改为在试验片上开孔，穿入销钉拉伸;为防止和尽量消除弯曲力矩对剪切的影 响，将孔中心与剪切面平行并保持在同一平面上，以 使剪切面上尽可能得到纯剪 切应力，并使应力分布尽可能均匀一致。改进后的夹具及试验片形状如图2 - 3 所 不 。 图 2 - 3 改进后的夹具及试验片形状 第二章 双切口拉f 巾 / 压缩5 y 切法 2 . 2 . 3 验证与优化方法 为了 验证所设计测试方法的可靠性与实验片的尺寸效应， 本课题从以下两个 方面进行了研究: ( 1 ) 依据对以往研究情况的分析， 认为槽间距s 是影响层间剪切强度表观 值的关键尺寸。本课题通过实验，研究了s 与层间剪切强度表观值的关系。 ( 2 ) 为了获得材料的真实层间剪切强度， 本课题进行了与实验相对应的有 限元分析。通过分析s 对剪切面上应力分布，特别是剪切应力分布的影响，优化 确立了可获得接近材料真实层间剪切强度的试验片关键尺寸。 第二章 试验及数据分析 第三章 实验及数据分析 3 . 1实验方案的制定 采用实验的方法对设计的测试方法进行了 验证。实验参照 a s t m d 3 8 4 6 - 9 4 及g b 1 4 4 6 - 8 3 标准进行实验控制与操作。 以往的研究表明，槽fn 距是影响双切口剪切法试验结果的一个重要因素。因 此在实验中，准备了 3 -5种不同尺寸槽间距的试验片。切口深度也被认为是影 响实验结果的一个重要因素，但考虑到实际机械加工精度的局限性，不将其作为 控制因素，只是在对实验结果的整理中注意其影响。为使试验片在载荷作用下完 全剪开，开槽深度以稍稍跨过中线为宜。试验片长、宽、开槽宽度均参照a s t m d 3 8 4 6 - 9 4标准设定。考虑到当试验片太薄时，强度和模量因成型工艺的影响在一 定范围内波动较大，因此，试验片不能太薄;但为了节省材料，降低制备成本， 试验片也不宜太厚。开孔大小依据试验片厚度设定。由于孔边也是自由边界，在 拉伸过程中会产生层间应力，并且还会有应力集中，为防止开孔处提前发生分层 破坏，在孔眼距试验片端部留出了较大的距离。为确保实验结果的可靠性，采用 两种材料进行试验，并对其结果进行比较分析。 3 . 1 . 1试验片形状及尺寸 图3 - 1 给出了试验片的形状及尺寸标注。 其中， 试验片长 a = 7 9 m m , 宽b = i 0 m m , 直径(d = 4 m m 孔两个， 槽深 。 = 1 / 2 t + 0 . 2 m m ， 两孔间距l = 5 9 m m( 孔中心距试验片 端部 l o m m ) ，槽f h 1 距 s 为 1 . 6 ， 的倍数，即3 . 2 m m , 4 . 8 m m , 6 . 4 m m , 8 m m , 9 . 6 m. 借深。=v 2 t - m m 峨 一一 l 一一 a 图3 - 1 试验片形状及尺寸标注 第二章 试验及数据分析 3 . 1 . 2实验材料的制备 本试验共采用两种实验材料。 一种材料为平纹织物中碱玻璃布/ 不饱和聚酷树脂层合板 ( 材料 1 ) ，采用手 糊自 制而成。组分材料中的玻璃布厚度为0 . 2 m m ，密度为7 2 x 6 7 根/ 1 0 c m ，积层 数为4 8 层， 板厚 i o m m 。 促进剂为环烷酸钻， 用量为1 % ， 引发剂为过氧化甲己酮， 用量为2 % 。在4 0 0c , 6 0 0c , 8 0 各加热两小时。用中碱玻璃布/ 不饱和聚酷树脂层 合板制成槽间距分别为3 . 2 m, 4 . 8 m m , 6 . 4 m m的三组试验片， 每组试验片为8 个， 以保证同组有 5 个有效试验片。 由于用手糊法制成的材料，内部缺陷较多，为保证实验结果的可靠性，直接 从市场上购买成品材料:平纹织物中碱玻璃布/ 环氧树脂层合板 ( 材料 2 ) ，厚度 为 i o m m 。其中，玻璃布厚度为0 . 2 m m ，密度为 1 6 2 x 1 2 2根/ 1 o c m ，积层数为 5 0 层，加工方法为模压法。将材料制成五组试验片，槽间距分别为3 . 2 m m , 4 . 8 m m , 6 . 4 m m , 8 m, 9 . 6 m m 。每组试验片为8 个。 3 . 2实验结果及分析 对这八组试验片的层间剪切强度进行子性能测试。测试在w d w - v o o b 型电子 力 能强力机上进行。 该机采用计算机控制，自 动采集数据并保存为数据文件， 测 试精度较高。根据a s t m d 3 8 4 6 - 9 4 标准的规定，加载速度为0 . 0 0 4 m m / s e c , 按照不同槽间距对各组试验片进行编号。实验结果如表 3 - 1 , 3 - 2 所示，表 中各项数据均按照g b 1 4 4 6 - 8 3 标准进行处理。每组选取5 个合格试验片，取平 均值。其中， 破坏载荷取最大载荷， 层间剪切强度 ( as s ) 二 破坏载荷/( 试验片 宽x槽间距) 。 表3 - 1 材料2 层间剪切强度实验结果 试验片编 号 试验片长 l ( m m ) 试验片宽 b ( m m ) 试验片厚 t ( m m ) 槽间距 s ( m m ) 破坏载荷 p m a x ( n ) i l s s ( m p a ) 17 9 . 0 61 0 . 1 5 1 0 . 6 43 . 1 0 9 3 7 . 42 9 . 9 4 27 9 . 0 21 0 . 1 81 0 . 6 4 4 . 7 21 4 2 0 . 02 9 . 3 5 37 9 . 0 21 0 . 1 21 0 . 6 8 6 . 3 31 8 4 1 . 2 2 8 . 7 5 47 9 . 1 0