论复合材料弯曲实验

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W c 计算公式、用W c 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
表3 C2G PSF 单向复合材料弯曲实验结果比较
试验方法 Eb Ρbf d
h
l
a
GPa 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
(计算公式) (8) (11)
两方法相差 %
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
(计算公式) (8) (11)
两方法相差 4 0. 5
%
42 24 计算 Ρbf
观察表3和表4的结果看到: 两种方法所得
15
的弯曲模量 Eb 是差不多的, 相差在5% 以内。而 弯曲强度 Ρbf 则比较复杂, 本文将在3. 1. 2节中
弯曲和四点弯曲测得的 Eb 是有很大差别的。从 (1) 式看到, 当 l h 足够大, 差别才会缩小; 且当
试件是一组纤维体积比V f= 67% , 几何尺 寸总长 L = 130mm、厚度 h = 3mm 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。
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 中亦有争论。因此, 本文也想通过实践, 有目的
复合材料的平面剪切模量〔1〕; 当四点弯曲反对 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
这一节分别使用经加温加压制造, 而V f= 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 2G PSF ) 和 V f = 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W c 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 Ρbf以避免试件受夹具的干涉。实验结果如表3和 表4所示。
但是, 从图2选择了合适的 l h 测定 Ρbf却不 一定适合用挠度法测定 Eb。而反过来, 合适测 Eb 的 l h 肯定合适测 Ρbf, 从而为一次实验同时 测定 Eb 和 Ρbf创造了前提。
转折区和 ( ) 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 PΡ 和 PΣ 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 Ρbf 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 PΡ 曲线, 这表明材料首 先被弯曲破坏掉。
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
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
收稿日期: 1996203212
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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 Ρbf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。
How a 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
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
2.
7
10. 2
100
50 27. 75 计算 Eb 35 36 计算 Ρbf
表4 G EP 玻璃钢弯曲实验结果比较
试验方法 Eb
Ρbf
d
h
la
GPa M Pa mm mm mm mm
备注
三点弯曲 16. 65 240. 3 21. 56 3. 3 90
(计算公试) (5) (10)
四点弯曲 17. 36 239. 1 21. 56 3. 3 50 25 计算 Eb
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
弯曲实验方法和“功的互等定理”相结合, 提出 曲强度 Ρbf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
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பைடு நூலகம்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 PΡ 和剪切破坏载荷 PΣ 与 l h 的关系曲线来给出测定 Ρbf 合适的 l h 的, 如 图2所示。
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
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 Ρbf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
1996年 玻璃钢 复合材料 1996
第4期 F iber R einfo rced P la st ics Com po sites №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)
(0. 759) 10. 30
(0. 811) 10. 28
(6) 式
(Eb E′b) 四点弯曲应变法
(0. 934)
(0. 998)
(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 Ρbf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) , Ρbf将受到剪切的干扰。
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。
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. 9mm。通过变化不
表2 M 40 环氧树脂纯弯梁的实验结果
试件编号
1 2 3 4 5 计算公试
Eb GPa
200 257 222 256 224
(7)
Ρbf M Pa
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
表5 某船用玻璃钢弯曲模量实验值随 l h 变化示例 单位: GPa
试验方法
lh
三点弯曲位移法
16. 16 5. 28
20. 20 7. 23
24. 24 7. 83
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
16
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 Ρbf 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 Ρbf 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%。