试验数据处理
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航空有机玻璃温度效应试验研究
12化本3班 2012364324李穗环
摘要：由于随着对飞机性能要求的提高，对机用有机玻璃的要求愈来愈高。因此，研究飞机有机玻璃温度效应具有十分重要的意义。当温度较高情况时，有机玻璃会发生裂纹扩展或蠕变行为等等，本文将会研究温度对有机玻璃裂纹扩展速率的影响。试验结果表明，有机玻璃随着温度升高，裂纹扩展速率减小，断裂韧度增大。
2.2 温度对有机玻璃的影响
温度升高，有机玻璃软化，强度、硬度变小，塑性增大。温度升高还会引起化学变化。温度到160℃以上时，聚甲基丙烯酸甲酯将开始产生裂解，分解出低分子物，使有机玻璃表面鼓泡，颜色变白，这种现象称为“发雾”，会导致透明度大大降低。温度降低，有机玻璃变硬，塑性减小，脆性增大，承受大载荷易裂纹。当温度急剧变化时，有机玻璃表面层与内层温度相差较大，表面层与内层的膨胀程度相差更大，从而将产生应力，在表面形成银纹。
式中c和m是材料的常数，由试验确定。将上式两边取对数，可得到
lg(da／dN)=lgC+mlg△K
上式在双对数坐标系上，表示为一条直线。直线的斜率是m，其截距即为lgc。
3试验结果及讨论
3．1试验结果
本文对航空有机玻璃在温度分别为一50℃、一25℃、18℃、60℃、90℃时进行裂纹扩展试验，每个温度点下做了三个试件，文中数据取每个温度点下三个试件中较好一组数据进行分析，结果如下。图2曲线最左边部分(数据点符号为v)，裂纹扩展速率很慢，为近门槛区扩展；曲线最右边部分(数据点符号为△)，裂纹扩展速率很快，属于高速扩展区；中间部分(数据点符号为O)，裂纹扩展速率比较稳定，属于裂纹稳定扩展区。
关键词：有机玻璃裂纹扩展速率 温度 数据处理
1、引言
有机玻璃称聚甲基丙烯酸甲酯①，又称做压克力，是平常经常使用的玻璃替代材料，是迄今为止合成透明材料中性质最优异的。有机玻璃在航空中有广泛应用，飞机上的主要用途是制作飞机座舱盖，飞机座舱盖包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃，座舱活动盖玻璃和侧风挡玻璃使用的是单层有机玻璃，飞机座舱有机玻璃在使用过程中有时会出现疲劳裂纹；但是，裂纹的存在并不一定意味着座舱就存在危险，这还要看裂纹所处的位置、方向、长度、裂纹尖端的应力状态以及实际飞行中的应力、温度等条件。本文将为大家简单地讲述航空有机玻璃的温度效应。
MT7006高低温试验箱，温度波动为±0．5℃；最小精读为0．02mm的显微裂纹测量仪。
试验过程为：
(1)在频率f= 1 Hz、应力比R=0：1、Pmax=1kN，室温下预制初始裂纹。
(2)调节环境箱温度，将试样在环境箱中放置2个小时，使得整个试样温度与设定温度相同，开始在规定的应力比和频率下进行疲劳裂纹扩展试验。
3．2 数据分析
在五个不同温度下，有机玻璃裂纹扩展速率曲线趋势基本相同(如图2)，都有开始扩展的近门槛区、稳定扩展区和快速扩展区。由表1中数据可知，采用Paris公式分析有机玻璃裂纹稳定扩展区速率是可靠的，各组数据的相关系数都大于0．97；由图3可以发现，温度对有机玻璃裂纹扩展速度影响很大，随着温度升高，裂纹扩展速率降低。由表2可知，温度升高，有机玻璃断裂韧度增大(每个温度点做三个试样，表中数据为其断裂韧度的平均值)。
CT试样应力强度因子幅值计算公式为△K=△P/(B )f(α)
其中B和W分别表示试样的厚度和宽度，α=a／W，a为裂纹长度，△P为循环载荷幅度，表示为△P=Pmax-PminR >0，△P=PmaxR≤0
将△P换为临界载荷Pq。，即得到断裂韧度Kl，f(α)为修正系数。
有机玻璃的完整疲劳裂纹扩展曲线有三个明显不同的扩展区，分别为近门槛区、稳定扩展区和快速扩展区。国内外工程设计寿命估算中普遍在裂纹稳定扩展阶段(快速扩展之前)，并且Paris公式也只适合于稳定扩展区。本文采用Paris公式研究有机玻璃稳定扩展区裂纹扩展的速率：da／dN=C(△K)
(3)采用显微裂纹测量仪读取裂纹长度a，绘制a一N曲线。
(4)计算da／dN和△K值在双对数坐标系中线性拟合da／dN-△K，计算直线的截距C和斜率m，并检验相关性。
(5)测量断裂时裂纹扩展的长度a，计算K1。
2.3.2数据处理
有机玻璃属于脆性材料，主要破坏形式为脆性断裂，裂纹尖端塑性区的相对尺寸很小，应力与应变可认为成正比。因此，可以用线弹性断裂力学理论和方法进行有机玻璃的疲劳裂纹扩展性能试验和研究。
[4]姜慧.航空非金属材料——有机玻璃[J].2013,卷：1009—5549.(SCI收录)
[5]谷松，赵维忠，李锦平,有机玻璃玻璃化转变温度影响因素的研究,2012,卷：40-41.(SCI收录)
2、有机玻璃
2.1 航空有机玻璃的材质特性
有机玻璃是以甲基丙稀酸甲酯为主要原料，配合增塑剂，在催化剂作用下，经聚合制得的透明聚甲基丙稀酸甲酯板材。力学性能特征基本上属于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在应力下易开裂，有一定的耐热耐寒性，耐紫外线、耐腐蚀、绝缘性能良好，尺寸稳定，易于加成型等优点，还具有很高的抗银纹性和抗裂纹扩展性。但其硬度较低，布氏硬度在170 220MPa之间，耐磨性差，易溶于极性有机溶剂。
2.3疲劳裂纹扩展速率试验
2.3.Fra Baidu bibliotek试样与试验过程
试验采用紧凑拉伸CT(compact tension)试样，试验尺寸如图1所示(依据国家试验标准GB 6398—86)。飞机舱盖玻璃表面温度在一55℃～100℃范围内变化，因此本文分别在温度为一50℃、一25℃、18℃、60℃、90℃下应力比R=0．1，频率为1 Hz，正弦载荷下测量裂纹扩展速率。在室温下采用疲劳试验机引发初始裂纹，使得初始裂纹扩展长度为0．25mm一0．3mm长的裂纹，并使得裂纹前端扩展平行。试验机为CSS280 100kN电液伺服试验机；
4、结论
本文在不同温度下对有机玻璃裂纹扩展速率进行试验研究。发现温度对MDYB一3有机玻璃裂纹扩展速率影响很大，有机玻璃的疲劳裂纹扩展能受温度影响，随着温度的升高，裂纹扩展速率减小，断裂韧度增大。因此，有机玻璃的危险工作状况在低温时，其断裂韧度K低，会造成临界载荷低，或在同样载荷下临界裂纹短，低温时裂纹扩展速率又高，更加剧了这种危险，所以在制作飞机座舱盖时，要考虑到温度的影响。
5、参考文献：
[1]高宗战,刘伟,刘永寿,岳珠峰.MDYB．3有机玻璃裂纹扩展温度效应试验研究.2007,卷：820～823.(SCI收录)
[2]刘伟，高宗战，岳珠峰有机玻璃疲劳性能温度效应研究.2007
[3]有机玻璃疲劳和断El图谱编委会．有机玻璃疲劳和断El图谱EM3．北京：科学出版社，1987
12化本3班 2012364324李穗环
摘要：由于随着对飞机性能要求的提高，对机用有机玻璃的要求愈来愈高。因此，研究飞机有机玻璃温度效应具有十分重要的意义。当温度较高情况时，有机玻璃会发生裂纹扩展或蠕变行为等等，本文将会研究温度对有机玻璃裂纹扩展速率的影响。试验结果表明，有机玻璃随着温度升高，裂纹扩展速率减小，断裂韧度增大。
2.2 温度对有机玻璃的影响
温度升高，有机玻璃软化，强度、硬度变小，塑性增大。温度升高还会引起化学变化。温度到160℃以上时，聚甲基丙烯酸甲酯将开始产生裂解，分解出低分子物，使有机玻璃表面鼓泡，颜色变白，这种现象称为“发雾”，会导致透明度大大降低。温度降低，有机玻璃变硬，塑性减小，脆性增大，承受大载荷易裂纹。当温度急剧变化时，有机玻璃表面层与内层温度相差较大，表面层与内层的膨胀程度相差更大，从而将产生应力，在表面形成银纹。
式中c和m是材料的常数，由试验确定。将上式两边取对数，可得到
lg(da／dN)=lgC+mlg△K
上式在双对数坐标系上，表示为一条直线。直线的斜率是m，其截距即为lgc。
3试验结果及讨论
3．1试验结果
本文对航空有机玻璃在温度分别为一50℃、一25℃、18℃、60℃、90℃时进行裂纹扩展试验，每个温度点下做了三个试件，文中数据取每个温度点下三个试件中较好一组数据进行分析，结果如下。图2曲线最左边部分(数据点符号为v)，裂纹扩展速率很慢，为近门槛区扩展；曲线最右边部分(数据点符号为△)，裂纹扩展速率很快，属于高速扩展区；中间部分(数据点符号为O)，裂纹扩展速率比较稳定，属于裂纹稳定扩展区。
关键词：有机玻璃裂纹扩展速率 温度 数据处理
1、引言
有机玻璃称聚甲基丙烯酸甲酯①，又称做压克力，是平常经常使用的玻璃替代材料，是迄今为止合成透明材料中性质最优异的。有机玻璃在航空中有广泛应用，飞机上的主要用途是制作飞机座舱盖，飞机座舱盖包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃，座舱活动盖玻璃和侧风挡玻璃使用的是单层有机玻璃，飞机座舱有机玻璃在使用过程中有时会出现疲劳裂纹；但是，裂纹的存在并不一定意味着座舱就存在危险，这还要看裂纹所处的位置、方向、长度、裂纹尖端的应力状态以及实际飞行中的应力、温度等条件。本文将为大家简单地讲述航空有机玻璃的温度效应。
MT7006高低温试验箱，温度波动为±0．5℃；最小精读为0．02mm的显微裂纹测量仪。
试验过程为：
(1)在频率f= 1 Hz、应力比R=0：1、Pmax=1kN，室温下预制初始裂纹。
(2)调节环境箱温度，将试样在环境箱中放置2个小时，使得整个试样温度与设定温度相同，开始在规定的应力比和频率下进行疲劳裂纹扩展试验。
3．2 数据分析
在五个不同温度下，有机玻璃裂纹扩展速率曲线趋势基本相同(如图2)，都有开始扩展的近门槛区、稳定扩展区和快速扩展区。由表1中数据可知，采用Paris公式分析有机玻璃裂纹稳定扩展区速率是可靠的，各组数据的相关系数都大于0．97；由图3可以发现，温度对有机玻璃裂纹扩展速度影响很大，随着温度升高，裂纹扩展速率降低。由表2可知，温度升高，有机玻璃断裂韧度增大(每个温度点做三个试样，表中数据为其断裂韧度的平均值)。
CT试样应力强度因子幅值计算公式为△K=△P/(B )f(α)
其中B和W分别表示试样的厚度和宽度，α=a／W，a为裂纹长度，△P为循环载荷幅度，表示为△P=Pmax-PminR >0，△P=PmaxR≤0
将△P换为临界载荷Pq。，即得到断裂韧度Kl，f(α)为修正系数。
有机玻璃的完整疲劳裂纹扩展曲线有三个明显不同的扩展区，分别为近门槛区、稳定扩展区和快速扩展区。国内外工程设计寿命估算中普遍在裂纹稳定扩展阶段(快速扩展之前)，并且Paris公式也只适合于稳定扩展区。本文采用Paris公式研究有机玻璃稳定扩展区裂纹扩展的速率：da／dN=C(△K)
(3)采用显微裂纹测量仪读取裂纹长度a，绘制a一N曲线。
(4)计算da／dN和△K值在双对数坐标系中线性拟合da／dN-△K，计算直线的截距C和斜率m，并检验相关性。
(5)测量断裂时裂纹扩展的长度a，计算K1。
2.3.2数据处理
有机玻璃属于脆性材料，主要破坏形式为脆性断裂，裂纹尖端塑性区的相对尺寸很小，应力与应变可认为成正比。因此，可以用线弹性断裂力学理论和方法进行有机玻璃的疲劳裂纹扩展性能试验和研究。
[4]姜慧.航空非金属材料——有机玻璃[J].2013,卷：1009—5549.(SCI收录)
[5]谷松，赵维忠，李锦平,有机玻璃玻璃化转变温度影响因素的研究,2012,卷：40-41.(SCI收录)
2、有机玻璃
2.1 航空有机玻璃的材质特性
有机玻璃是以甲基丙稀酸甲酯为主要原料，配合增塑剂，在催化剂作用下，经聚合制得的透明聚甲基丙稀酸甲酯板材。力学性能特征基本上属于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在应力下易开裂，有一定的耐热耐寒性，耐紫外线、耐腐蚀、绝缘性能良好，尺寸稳定，易于加成型等优点，还具有很高的抗银纹性和抗裂纹扩展性。但其硬度较低，布氏硬度在170 220MPa之间，耐磨性差，易溶于极性有机溶剂。
2.3疲劳裂纹扩展速率试验
2.3.Fra Baidu bibliotek试样与试验过程
试验采用紧凑拉伸CT(compact tension)试样，试验尺寸如图1所示(依据国家试验标准GB 6398—86)。飞机舱盖玻璃表面温度在一55℃～100℃范围内变化，因此本文分别在温度为一50℃、一25℃、18℃、60℃、90℃下应力比R=0．1，频率为1 Hz，正弦载荷下测量裂纹扩展速率。在室温下采用疲劳试验机引发初始裂纹，使得初始裂纹扩展长度为0．25mm一0．3mm长的裂纹，并使得裂纹前端扩展平行。试验机为CSS280 100kN电液伺服试验机；
4、结论
本文在不同温度下对有机玻璃裂纹扩展速率进行试验研究。发现温度对MDYB一3有机玻璃裂纹扩展速率影响很大，有机玻璃的疲劳裂纹扩展能受温度影响，随着温度的升高，裂纹扩展速率减小，断裂韧度增大。因此，有机玻璃的危险工作状况在低温时，其断裂韧度K低，会造成临界载荷低，或在同样载荷下临界裂纹短，低温时裂纹扩展速率又高，更加剧了这种危险，所以在制作飞机座舱盖时，要考虑到温度的影响。
5、参考文献：
[1]高宗战,刘伟,刘永寿,岳珠峰.MDYB．3有机玻璃裂纹扩展温度效应试验研究.2007,卷：820～823.(SCI收录)
[2]刘伟，高宗战，岳珠峰有机玻璃疲劳性能温度效应研究.2007
[3]有机玻璃疲劳和断El图谱编委会．有机玻璃疲劳和断El图谱EM3．北京：科学出版社，1987