论复合材料弯曲实验_李家驹

(计算公试 ) ( 5) ( 10)
四点弯曲 17. 36 239. 1 21. 56 3. 3 50
(计算公式 ) ( 8) ( 11)
42
两方法相差 4 0. 5
/%
25 计算 Eb 24 计算 σbf
观察表 3和表 4的结果看到: 两种方法所得
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的弯曲模量 Eb 是差不多的 ,相差在 5% 以内。而 弯曲和四点弯曲测得的 Eb 是有很大差别的。从
称加载时 ,对一般正轴铺层的复合材料可测弯 问题引起了不少用户的质疑 ,在中外的材料界
曲模量、弯曲强度 ; 而偏轴 45°时 ,则可用来测定 复合材料的平面剪切模量〔1〕 ; 当四点弯曲反对
中亦有争论。因此 ,本文也想通过实践 ,有目的 地进行一些必要的实验 ,通过分析比较这两种
称加载时 ,则成为简便的多种材料剪切性能测 方法的优劣 ,澄清疑问 ,提高认识。并仅以此文
表 2 M 40 /环氧树脂纯弯梁的实验结果
试件编号 Eb / G Pa σbf /M Pa
1 2 3 4 5 计算公试 200 257 222 256 224 ( 7) 885 1105 1095 894 1086 ( 11)
实验结果表明: 只有 2号试件的破坏模式是 正确的 ,在纯弯区 l 的中间截面断开 ,即拉伸破 坏。而其余四根试件均在 l 的两端点同时断开 成三段 ,有的在 l 段沿宽度 d上还产生纵向劈 裂 (一种层间剪切破坏的形式 )。 2. 2 较强的复合材料弯曲实验比较
综合 3. 1的讨论 ,我们不难理解 ,三点弯曲 实验法 (挠度法 )为什么能成为当今中外复合材 料科技界较喜欢使用的测定复合材料弯曲性能 的流行方法。 3. 2 怎样决定合适的 l /h进行三点弯曲实验
本文已多次强调 ,进行复合材料的三点弯 曲实验 ,设置合适的跨厚比 l /h 是试验成败的 关键。其 实这个问题 ,已有很多资 料进行过论 述。例如 ,文献〔 5〕研究复合材料弯曲破坏时是 通过弯曲破坏载荷 Pσ和剪切破坏载荷 Pτ与 l / h 的关系曲线来给出测定 σbf合适的 l /h 的 ,如 图 2所示。
( 0. 998)
10. 32(实验条件: a= 74, l= 142)
( 0. 996)
( 7)式
从表 5的实验结果看到: Eb 随 l /h 增大而 增大 ,得不到所测材料的弹性常数。根据表 5所 取的 l /h 范围看 ,它们和纯弯曲所得 的 E′b 相 差 20% ～ 50% 左右。可见 ,该船厂设计的弯曲试 件是不合适的。但由于正应变的测量不受横向 剪应力的干扰。作为比较 ,本文改用三点弯曲应 变法测定其 Eb 应该不受 l /h 的影响 , 表 5绝大 多数测值与 E′b 相差少于 0. 5% 。但是 ,应变法 测 Eb 虽然可避开 l /h 的影响 ,但测 σbf仍不一定 合 适的。因为如果所取的 l /h很靠近某 ( l /h ) cr 值时 (参阅下文和图 2) ,σbf将受到剪切的干扰。
1996年 玻璃钢 /复合材料 1996
第 4期 Fiber Reinfo rced Plastics / Com posi t es № 4
论复合材料弯曲实验
李家驹 李延红 曾汉民
(中山大学材料科学研究所 广州 510275)
摘要: 本文通过一 系列的实验比较和 分析研究 ,客观地 评论了复 合材料弯曲 性能测定的 两种主要 实验方法
三点弯曲和四点弯曲方案的优缺点 ,供研究、测定复合材料弯曲性能时参考。
关键词: 复合材料 性能测试 弯曲实验
1 前 言
从理论上讲 ,四点弯曲方 法在其测量段 l 上 (参阅表 1图 1( b)和 ( c) ) ,只有弯矩作用而没
点弯曲实验。
理论上 ,纯弯曲 (即四点弯曲 )方法是研究
通过以上叙述可看到 ,在复合材料领域的 和测定复合材料弯曲性能最理想的受力模式。
材料或结构 (如夹层板 )的性能测定中 ,三点弯 因为试件的纯弯段 l 上根本没有横向剪切力存
曲和四点弯曲实验方法起到很大的作用。
在 ,不会出现复合材料薄弱环节层间剪切的破
这一节分别使用经加温加压制造 ,而 Vf= 60% 的单向碳纤维、玻璃纤维混杂增强聚砜的 先 进复合材料 ( C-G / PSF)和 Vf = 42% 的玻璃 布增强环氧树脂手糊玻璃钢 ( G / EP)作为试件 , 依次进行三点和四点弯曲实验 ,而且都采用百
分表测挠度 Wc 计算 Eb。本文的实验 ,进行四点 弯曲时先用图 1( c)测 Eb ,再改用图 1( b)测强度 σb f以避免试件受夹具的干涉。实验结果如表 3和 表 4所示。
收稿日期: 1996-03-12
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坏模式。表 1给出的纯弯加载图式有 ( b)、 ( c)两 种。但本文实验表明: 图 1( c)挠度方法测定弯曲 模量 Eb 是不错的 ,但继续完成强度 σbf实验时 ,
试件变形后会触到试验夹具 (主要指分力器 )而 使实验无法进行。故这一节中主要给出图 1( b) 应变法测定弯曲性能的结果。
定或正交各向异性复合材料三个主方向剪切模 的工作 ,与同行进行交流 ,以供在复合材料研究
量 和 剪 切 强 度 测 试 方 案〔 2〕; 60 年 代 初 期 , 和测试工作中作一参考。
Ho wa rd首先提出了 “五点弯 曲”实验 方案 ,一 次实验可同时把蜂窝夹层板的剪切刚度和弯曲
2 实 验
刚度测定〔3〕 ,这个方案有人推广到复合材料特
转折区和 (Ⅲ )弯曲破坏区三个部分 ,它们分别 对应了不同的 l /h 范围值。而从剪切破坏到弯 曲破坏的转折区产生在 Pσ和 Pτ曲线的交点附 近 ,该交点对应之跨厚比称为“临界跨厚比” ( l / h) cr。根据图 2向右选择远离 ( l /h) cr的 l /h 进行 实验 ,则所测的 σbf便不受剪切破坏的干扰。从 图 2也可得到清晰的几何解折。因从图 2这样的 l /h点往上走 ,会先碰到 Pσ曲线 ,这表明材料首 先被弯曲破坏掉。
弯曲强度 σbf则比较复杂 ,本文将在 3. 1. 2节中 ( 1)式看到 ,当 l /h 足够大 ,差别才会缩小 ; 且当
再作详细讨论。
玻璃钢的剪切模量 G越低 ,实验时所用的 l /h
2. 3 一般复合材料弯曲实验比较
要进一步加大。
这 里所指 的“ 一般 复合 材料 ”是指 一般 玻璃
今以某船厂送检这种玻璃钢为例来说明。
弯曲实验方法和“功的互等定理”相结合 ,提出 曲强度 σbf计算公式。
了“刚度分离法” ,成功地解决了一次实验同时
为了节省篇幅 ,下面仅简单说明一下本文
测定复合材料或蜂窝夹层板的剪切模量和弯曲 各个实验的简明情况 ,并给出这些实验的结果。
模量的问题。而这方法 ,实质上就是一简单的三 2. 1 专门考察四点弯曲方法的一组实验
目前 ,基于复合材料梁的弯曲理论建立的 有横向剪切力的干扰 ,故是一个测定复合材料
复合材料性能测试方案 ,已有多种。例如 ,三点 层板弯曲性能的理想模型。但目前在复合材料
弯曲方案不仅用于进行弯曲模量、弯曲强度测 科技界和材料实验室中 ,使用较多而流行的方
定 ,还可以进行层间剪切强度测定。四点弯曲对 法却是有横向剪力干扰的三点弯曲实验法。这
进行 ,而且 ,都用 ( 5)式 (忽略了剪切变形 )来计 如表 5所示。
算 Eb。但是必须指出: 对这种玻璃钢 ,使用三点
表 5 某船用玻璃钢弯曲模量实验值 随 l /h 变化示例 单位: G Pa
试验 方法
l /h
三点弯曲位移法
16. 16 5. 28
20. 20 7. 23
24. 24 7. 83
3 讨 论
3. 1 对复合材料两种弯曲实验方法的总评论 3. 1. 1 复合材料最佳弯曲模量测定法评论
复合材料的各向剪切性能 ,不论其强度或 刚度 ,都是这种材料的薄弱环节。例如: 发生在 三点弯曲而包含在 ( 1)式中的横向剪切变形分 量 ,不论 l /h 取什么值 ,其影响始终存在 ,因而 用三点弯曲这一方案去测量 Eb 得到的总是近 似值。所以 ,测量弯曲模量 Eb 的最佳测量方法
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应属不受剪切干扰的四点弯曲方案。本文的实 验结果也证明了这一点: 例如表 3和表 4的三点 弯曲测值总比四点弯曲测值小 ; l /h越大 ,两者 相差越小 ; 而 l /h 的取值与所测的复合材料品 种有关。 3. 1. 2 复合材料最佳弯曲强度测定法评论
不论是图 1( b)还是图 1( c)哪种四点弯曲受 力模式 ,在 l 的内部均可得到相同的弯矩而无 剪力干扰 ; 但在 l 的始点和终点这两个截面上 , 弯矩与段内相同却又是横向剪切 力最大的地 方。当 l /h 取得 不合适 , 试件便从 这两截 面破 坏。如表 2先进复合材料 M 40 / EP 单向层板的 纯弯实验结果 ,绝大部分试件均在该两截面处 破坏成三段 ;个别试件由于横向剪切断口贯穿 l 段实际上把试件劈裂为四段。这说明: 四点弯曲 很多时候得不到纯弯曲破坏 ,即在 l 中部最外 层纤维被拉断的正确模式。再加上常用的图 1 ( c)挠度法 ,测完 Eb 后继续测 σbf时最易发生夹 具 (主要指加载器 )与试件抵触而使试验无法进 行的缺点。改用图 1( b)的应变法虽有所改 善 , 但材料太软时也可能会产生同样缺点。而应变
测量技术比较复杂 , 费用大、花时间、投入的人 员较多 ,不是每个实验室都有能力解决。而三点 弯曲挠度法 ,虽然也受横向剪力干扰 ,但只要设 置 合适的 l /h(详见下文 ) , 剪切破坏与弯曲破 坏可以分开 , 危险截面比四点弯曲少。一次实 验 , 肯定能把 Eb 和 σbf同 时测定。根据 上述讨 论 ,可以看到: 进行复合材料弯曲强度测定 ,四 点弯曲受力形式的缺点 ,比三点弯曲还多 ; 它更 易受到材料不均匀和缺陷等因素影响。因而表 3 和表 4所测的 σbf强度数据 ,均比三点弯曲测值 低 ,好的情况差不多 ,只差 0. 5% ; 差的情况达到 10. 2% 。
钢行业中常用的粗纱布和短切毡增强不饱和聚 送检时厂方已设计好试样: 总长度 L= 300mm ,
酯树脂的复合材料。这种材料弯曲性能不太高 , 宽度 d= 50mm 和厚度 h= 9. 9m m。通过变化不
剪切性能也很低。而一般材料实验室测定它的 同 l /h采用三点弯曲挠度法测得的 Eb 和采用
弯曲性能时绝大多数都采用三点弯曲挠度法来 四点弯曲应变法测得的 E′b 进行了比较 ,结果
29. 29 8. 37
计算公式 ( 2)或 ( 5)式
( Eb / E′b) 三点弯曲应变法
( 0. 512) 9. 64
( 0. 700) 10. 30
( 0. 759) 10. 30
( 0. 811) 10. 28
( 6)式
( Eb / E′b) 四点弯曲应变法
( 0. 934)
( 0. 998)
试件是一组纤维体积比 V f= 67% ,几何尺 寸总长 L= 130m m、厚度 h= 3m m 和宽度 d= 15mm 的五根单 向 ( 0°) M 40 /环氧 树脂先进复 合材料。对应图 1( b )的参 数 a= 20mm ,而 l= 90mm; 应变片 εc 贴在 l 之中点处 ,试验结果给 于表 2。
(计算公式 ) ( 8) ( 11)
两方法相差 /%
2. 7
10. 2
100
50 27. 75 计算 Eb 35 36 计算 σbf
表 4 G /EP玻璃钢弯曲实验 结果比较
试验方法 Eb / σbf / d / h / l / a / 备注 G Pa M Pa mm mm mm mm
百度文库
三点弯曲 16. 65 240. 3 21. 56 3. 3 90
表 3 C-G /PS F单向复合材料弯曲实验结果比较
试验方法 Eb / σbf / d / h / l / a / G Pa M Pa mm mm mm mm
备注
三点弯曲 94. 4 915. 2 10. 1 2
(计算公试 ) ( 5) ( 10)
四点弯曲 96. 9 821. 8 10. 1 2
表 1给出复合材料弯曲性能测定中使用的
别是较厚层板的剪切模量和弯曲模量的测试中 三点和四点弯曲方案的受力图式 ,并列出它们
去 ,可惜它必须同时向试件加三个载荷来进行 对应的中点挠度 Wc 计算公式、用 Wc 或中点应
实验而难度较大 ,未有建树。文献〔 4〕应用三点 变 εc 表示的弯曲模量 Eb 以及各图式对应的弯