玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸性能研究

王亞杰，王 波，張 龍，馬宏毅

(1 西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710129； 2 北京航空材料研究院，北京 100095)

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玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸性能研究

王亞杰1，王 波1，張 龍1，馬宏毅2

(1 西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710129； 2 北京航空材料研究院，北京 100095)

通過對兩組具有不同鋪層次序的玻璃纖維-鋁合金正交層板進行拉伸實驗，對比研究了鋪層次序對材料拉伸力學行為的影響。載荷跌落前兩組試件的拉伸力學性能和應力-應變曲線基本一致，說明玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸力學性能與纖維的鋪層次序無關。提出了修正后的金屬體積分數理論，準確預測了材料的彈性模量、屈服應力及拉伸強度。依據聲發射數據和試件損傷失效形貌照片，分析了兩組試件的拉伸損傷失效進程。結果表明，鋪層次序的不同使得兩組材料的損傷進程和破壞模式具有很大差異。最后，利用有限元方法對試件的拉伸力學行為進行了模擬分析，模擬結果與實驗值吻合較好。

玻璃纖維-鋁合金正交層板；拉伸實驗；損傷演化；失效機理；有限元模擬

作為纖維金屬層合板 ( Fibre-Metal Laminates，FMLs) 的一種典型代表，玻璃纖維-鋁合金層板是由高強度鋁合金薄板和高強度玻璃纖維增強樹脂層交替層壓制造而成的一種纖維增強金屬材料[1]。玻璃纖維-鋁合金層板綜合了傳統樹脂基復合材料和金屬材料的特點，不但具有高比剛度和比強度，還具有金屬材料的韌性和可加工性，尤其是優良的疲勞性能和損傷容限性能，使得玻璃纖維-鋁合金層板在航空航天領域具有廣闊的應用前景[2]。玻璃纖維-鋁合金層板具有優異的綜合力學性能及良好的經濟性，因此已成為高性能低成本復合材料研究的發展方向之一[3]。

玻璃纖維-鋁合金層板是由各向同性的鋁合金板和各向異性的玻璃纖維/環氧樹脂基復合材料結合起來的一種結構材料，所以它的損傷模式分析、力學性能理論模型預測以及有限元模擬都較為復雜。目前國外研究人員對各類玻璃纖維-鋁合金層板進行了大量實驗研究，并給出了鋪層角度、次序及厚度等參數對材料整體性能的影響[4-6]。但針對其正交層板的力學性能理論模型預測、損傷失效進程及破壞機理的研究工作還不多見。在理論模型預測方面，Volt等[7]提出的金屬體積分數( Metal Volume Fraction, MVF )理論應用最廣，利用該理論可對單向鋪層的纖維-金屬層板拉伸模量和強度進行預測。馬宏毅等[8]在MVF理論的基礎上進行了修正，能夠較準確地預測單向和正交玻璃纖維-鋁合金層板的拉伸與疲勞性能。Soltani等[9]應用有限元方法對玻璃纖維-鋁合金層板的拉伸力學行為進行了模擬分析，發現由于鋁層的塑性及鋁層與纖維層間的相互作用，玻璃纖維-鋁合金層板的拉伸應力-應變關系呈雙線性，且曲線第二部分直線段的斜率主要由層合板內部纖維鋪層方向決定。在損傷探測方面，Castanedo等[10]在玻璃纖維-鋁合金層板的低速沖擊實驗中，采用熱紅外影像技術對其分層、沖擊損傷進行了探測和評估。Yaghoubi等[11]對含有不同的纖維鋪層方向、幾何形狀的玻璃纖維-鋁合金層板進行落錘沖擊實驗，使用無損超聲波探測沖擊損傷宏觀特性，并應用光學成像技術研究其損傷微觀特性。劉懷喜等[12]使用聲發射技術研究了芳綸/環氧復合材料在承受拉伸載荷時的損傷與斷裂行為，發現在承載過程中芳綸/環氧復合材料主要的損傷類型是基體開裂、纖維/基體界面開裂以及纖維斷裂。

本工作針對玻璃纖維-鋁合金正交層板，通過實驗測定兩組試件拉伸性能及規律，提出了修正的理論模型預測材料的拉伸模量、屈服應力和破壞強度，并采用聲發射設備跟蹤其損傷過程，應用有限元漸進損傷的方法分析了材料失效破壞原理。

1 試件和實驗

1.1 試件

本工作所用試件材料是國產的熱固性玻璃纖維-鋁合金層板，由玻璃纖維增強復合材料(FRP)、鋁合金薄板(型號：2024-T3)和黏結層(型號：SY-14)構成。其編號如下: GLARE3-3/2-0.3[13]，代指意義為每層鋁合金薄板厚度為0.3mm，纖維增強復合材料層數為2，鋁合金薄板層數為3。兩組試件的鋪層方式分別為：Al/0/90/Al/90/0/Al和 Al/90/0/Al/0/90/Al，定義為試樣A和試樣B。拉伸試件形狀如圖1所示，長度為250mm，矩形橫截面寬度為25mm，總厚度為1.36mm，試件兩端均粘貼鋁制加強片防止試件夾持段被壓潰。其中，鋁板2024-T3 和FRP的力學性能由表1給出。

圖1 試件尺寸圖和應變片及聲發射探頭位置Fig.1 Diagram of specimen dimension and location of strain gauges and AE sensor

Al[8](2024?T3)FRPσb/MPaσ0．2/MPaE/GPaεb/%E1/GPaE2/GPaG12/GPaXt/MPaYt/MPaν21ν1245530072953．711．114．51623．363．50．290．07

1.2 實驗

拉伸實驗在DSS100試驗機上進行。采用位移控制方式加載，加載速率為2mm/min。為獲得試件在拉伸過程中的應變變化情況，分別在試件兩面中間部位粘貼應變片來采集應變數據。同時在試件工作段的兩端粘貼了聲發射探頭，使用DS2系列全信息聲發射信號分析儀來收集拉伸過程中的材料損傷信號。應變片及聲發射探頭位置如圖1所示。

2 實驗結果及討論

2.1 實驗結果及分析

玻璃纖維-鋁合金正交層板的兩組拉伸實驗結果平均值見表2，應力-應變曲線如圖2所示。由表2中實驗數據可以看出試樣A，B的破壞載荷、拉伸強度及模量、屈服應力、泊松比和破壞應變均基本相同，說明玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸性能與纖維鋪層次序無關。由圖2可以看出，兩組試樣的應力-應變曲線幾乎完全重合，且由于鋁板的屈服塑性，拉伸試件整體也發生屈服，但屈服平臺不明顯，應力-應變曲線整體呈近似雙線性特征。

表2 試樣A與試樣B的拉伸實驗結果

圖2 試樣A與試樣B的拉伸應力-應變關系Fig.2 Tensile stress-strain relations for specimens A and B

2.2 試件破壞形式及分析

由于纖維鋪層次序的不同，試樣A，B的拉伸損傷模式明顯不同。由表1數據可知，與0°纖維層剛度(53.7GPa)相比，鋁板和90°纖維層的剛度(72，11.1GPa)相差更大，在加載之初等應變條件下，相鄰的鋁板與90°纖維層會產生很大的層間應力。并且鑒于本實驗的加載方式，載荷通過兩端加強片以對稱方式由最外層向內傳遞剪應力來實現加載，所以實驗初期最外層鋁板首先承力。因此，與試樣A(Al/0/90/Al/90/0/Al)相比，拉伸過程中試樣B(Al/90/0/Al/0/90/Al)的鋁層與相鄰的90°纖維層更易發生分層，從而造成兩種試件不同的拉伸損傷模式。

聲發射是一種對材料內部缺陷或潛在缺陷處于運動變化中進行動態損傷檢測的方法，具有實時、連續監測的特點[14]。試件拉伸載荷和聲發射能量隨時間變化的分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出試樣A在材料屈服前階段(0～45s)幾乎沒有聲發射能量被采集到，說明此階段材料無損傷出現；隨后是屈服后階段(45～260s)，僅在載荷達11835N時出現小量聲發射能量，但在載荷曲線上未造成明顯的影響，說明該損傷對材料性能影響不大，推斷此時對應的是90°纖維層的橫向破壞；最后斷裂失效階段是在260s左右時，聲發射能量出現急劇增強，且拉伸載荷由22391N發生驟降，說明此時試件完全失效破壞，破壞狀態如圖3(a)中圖片所示，此時纖維層和鋁層發生裂紋失穩性擴展并斷裂失效。

圖3 試樣的拉伸載荷與聲發射數據分布圖 (a)試樣A;(b)試樣BFig.3 Tensile load and AE data vs time for specimens (a)specimen A;(b)specimen B

由于損傷模式的不同，試樣B的聲發射數據分布與載荷的對應情況更為明顯，如圖3(b)所示，拉伸載荷共出現3次下降，對應采集到3次明顯的聲發射能量。可以看出試樣B在達到纖維破壞載荷前的屈服前階段和屈服后階段與試樣A的情況基本類似，且同樣在260s左右首次獲得較大聲發射能量，但由于鋪層次序的不同，此時試樣B僅發生了兩側纖維層的斷裂并與鋁板明顯分層，狀態如圖3(b)中圖片所示。之后是鋁板破壞階段(260～825s)，包括兩次載荷的下降和聲發射能量的獲得。首先三層鋁板分別承載，外側一層鋁板最先達到破壞應變后發生斷裂，變為由兩層鋁板同時承載，此時拉伸載荷由8370N降為5592N，大小為3∶ 2的關系。隨著聲發射能量的獲得，最后兩層鋁板同時發生破壞，試件最終完全斷裂，斷裂狀態分別如圖3(b)中圖片所示。通過試樣B的拉伸實驗可以看出，聲發射能量越劇烈，對應著載荷下降幅度越大，因此可以根據聲發射數據跟蹤了解材料損傷過程，且通過比較聲發射能量的大小來衡量材料的破壞程度。

拉伸試件宏觀斷口形貌見圖4。通過以上實驗過程分析可知兩種試件的損傷過程明顯不同，因此它們的斷口形貌也各不相同。試樣A的斷口形貌如圖4(a)所示，斷口趨勢較為平齊，各纖維層和鋁板層斷面位置基本一致，斷口附近有小范圍分層，并可以較明顯地看出斷口發生在鋁板頸縮的位置。試樣B的斷口形貌如圖4(b)所示，兩層纖維/樹脂層斷裂位置及形態均呈對稱分布，縱向纖維束拔出長短不一，并攜帶橫向纖維。由于拉伸過程中出現明顯分層，分層后的各層鋁板承載非同步，導致它們的斷裂位置和形態參差不齊。

圖4 拉伸試件斷口形貌 (a)試樣A;(b)試樣BFig.4 Fracture sections morphology of tensile specimens (a)specimen A;(b)specimen B

3 正交層板拉伸性能的理論預測及有限元模擬

3.1 拉伸性能的理論預測

由于玻璃纖維-鋁合金層板的拉伸性能對于其應用具有重要作用,因此本工作利用理論模型對玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸性能進行了預測。針對玻璃纖維-鋁合金正交層板的特點，同時考慮兩個鋪層方向上纖維對整體性能的影響，并結合復合材料的彈性模量混合律[15]對MVF理論修正后得到的預測公式如下:

高鐵對于旅游的影響因素主要分為兩方面，一方面是旅游者內在因素，主要是可支配收入，閑暇時間，旅游動機；另一方面是外在因素，即交通便利性，食宿，以及舒適度[6,7]。

Elam=MVF·Emet+a·EFRP1+b·EFRP2

(1)

(2)

(3)

綜上所述，在MVF理論基礎上，考慮各角度纖維鋪層的體積分數得到的修正公式可以用來較準確地預測玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸性能，這也進一步說明了該材料的拉伸強度與纖維鋪層次序無關，而僅與各層所占體積分數有關。

表3 試樣A和試樣B的拉伸性能實驗值與理論計算值的比較

3.2 拉伸實驗的有限元模擬

應用Abaqus有限元軟件對玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸力學行為進行模擬，模型采用等比例尺寸建模。模型一端面固定，另一端面進行加載。創建材料時，首先，由于鋁板具有金屬塑性，認為材料整體呈彈-塑性，而單一的彈性模型無法精確預測玻璃纖維鋁合金的拉伸性能，因此創建鋁板材料時需考慮鋁合金的彈-塑性行為，其單元類型為C3D8R；其次，纖維層的材料參數通過對玻璃纖維增強復合材料進行基本性能實驗得到，其單元類型為SC8R。模型使用Hashin漸進失效判據對纖維層進行漸進失效模擬。

通過上述方法建立的拉伸模型，模擬了試樣A，B的拉伸實驗，得到應力-應變曲線，如圖5所示。可以看出通過模擬得到的兩種試樣的應力-應變曲線基本重合，并呈現玻璃纖維-鋁合金材料拉伸曲線的典型雙線性特征。模擬曲線與實驗曲線吻合良好，因此可以通過有限元模擬近似預測玻璃纖維-鋁合金試件的拉伸強度和模量。

對試樣A的模擬過程分析可得，拉伸載荷達到12880N時試件首次出現損傷，損傷失效云圖見圖6。90°纖維層基體橫向損傷參數DAMAGEMT達到1，說明此時已發生損傷。這時模型的最大應力水平與實驗過程中初次采集到聲發射能量時的應力水平相一致，因此可以證明層合板整體屈服后采集到的少量聲發射信號正是由于90°纖維層基體出現橫向損傷所致。當最終拉伸載荷達到22255N時，0°纖維層達到其破壞強度發生縱向纖維斷裂失效，導致材料整體失去承載能力而最終失效。

圖5 試樣A與試樣B的拉伸應力-應變模擬曲線Fig.5 Simulated tensile stress-strain curves for specimens A and B

圖6 試樣A的90°纖維層失效云圖 Fig.6 90°-ply failure picture of specimen A

綜上所述，該模型可以較為準確地預測玻璃纖維-鋁合金正交層合板的拉伸模量、屈服應力和破壞強度，且模擬過程中纖維鋪層損傷失效模式與試件破壞現象對應吻合，并與實驗采集到的聲發射信號相統一。

4 結論

(1)比較A，B兩組試件的拉伸實驗結果可以得出：玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸力學性能不受鋪層次序的影響，只與各層組分的體積分數有關；而材料的拉伸破壞模式因纖維鋪層次序的不同而顯著不同，整個拉伸過程中試樣A中分層不明顯，試樣B的鋁板層和纖維層出現顯著分層。

(2)應用聲發射技術可以準確地監測到玻璃纖維-鋁合金層板拉伸過程中各層的損傷破壞，并能夠發現載荷曲線所不能反映的纖維層材料的損傷，有助于及早發現材料斷裂前的危險階段。

(3)考慮各角度纖維鋪層的體積分數并結合復合材料混合律，對MVF理論進行修正后，可以針對玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸性能進行較為精確的理論預測。

(4)應用有限元漸進損傷的方法對玻璃纖維-鋁合金正交層板的拉伸過程進行了模擬分析，得到了玻璃纖維-鋁合金層板材料的應力-應變曲線的雙線性特征，且模擬結果與實驗值及破壞模式吻合較好。

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Tensile Properties of Glass Fiber Reinforced Aluminum Orthorhombic Laminate

WANG Ya-jie1，WANG Bo1，ZHANG Long1，MA Hong-yi2

(1 School of Mechanics,Civil Engineering and Architecture, Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China； 2 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The influence of different layout sequence on the tensile properties was investigated by tensile tests of two group of glass fiber reinforced aluminum orthorhombic laminate with different sequences.The test results show that tensile properties and stress-strain curves of two groups of specimens under loading are almost the same. As a result, the tensile properties have nothing to do with the fiber layup sequence. A modified theory of metal volume fraction is put forward to precisely predict tensile properties including elastic modulus, yield stress and tensile strength. According to acoustic emission(AE) data and pictures of failed specimens, the damage process and failure mechanism of two groups of specimens were analyzed. The results show that the layup sequence has a considerable effect on the damage process and failure mode of the material. Finally, simulation and analysis were carried out on the tensile performance of the specimens using finite element methods. The simulated results are in good agreement with experimental values.

glass fiber reinforced aluminum orthorhombic laminate;tensile test;damage evolution;failure mechanism;finite element modelling

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.010

TB333

A

1001-4381(2015)09-0060-06

2014-03-24；

2015-03-22

王波(1976-)，男，博士，副教授，主要從事復合材料力學及結構設計方向的研究，聯系地址：陜西省西安市長安區西北工業大學長安校區力學與土木建筑學院(710129)，E-mail:b.wang@nwpu.edu.cn