復(fù)合材料偏心壓縮快速評估方法

王秋宇 湯家力

復(fù)合材料偏心壓縮快速評估方法

王秋宇 湯家力

本文通過線性擬合的方法對不同鋪層復(fù)合材料試驗件在不同偏心距下的壓縮試驗件結(jié)果進(jìn)行處理，得到偏心壓縮時壓縮和彎曲耦合關(guān)系對破壞載荷的影響，然后結(jié)合對心壓縮試驗結(jié)果擬合壓縮與彎曲影響關(guān)系曲線，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)偏心壓縮的工程快速評估提供了方法。

碳纖維樹脂基復(fù)合材料由于其突出的性能而廣泛用于航空航天、機械、能源和交通等領(lǐng)域，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析評估方法也日新月異，復(fù)合材料在工程中的大量應(yīng)用也對工程快速評估方法提出了需求。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中往往會受到壓縮和彎曲載荷的聯(lián)合作用，即偏心壓縮的情況，在不同彎、壓載荷作用下，復(fù)合材料層壓板的失效模式會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效。因此有必要通過試驗研究不同壓縮彎曲載荷作用下復(fù)合材料層壓板的失效規(guī)律。本文通過試驗數(shù)據(jù)的分析總結(jié)復(fù)合材料偏心壓縮的快速工程評估方法，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持。

試驗概述

試驗件及試驗介紹

復(fù)合材料偏心壓縮試驗采用自行設(shè)計的專用夾具對三個爐批次、四種不同鋪層形式、厚度均為t的矩形板試件進(jìn)行了四個偏心位置（0，t/6，t/4，t/2）的室溫單軸壓縮試驗。每種試驗共6件試驗件，試驗件合計288件（3×4×4×6=288）。試驗夾具如圖1所示。

試驗件采用名義尺寸為125mm（長）×25mm（寬）×5mm（厚）的矩形板條，試驗件材料為CYCOM977－2－35－12K－HTS－268；針對不同的偏心距情況，在試驗件的夾持和加載端采用玻璃纖維織物/樹脂加強片膠接的方式進(jìn)行局部加強，加強片材料為MXB7701/7781玻璃纖維織物環(huán)氧預(yù)浸料。

試驗件共有4種典型鋪層，具體鋪層形式如表1所示。

表1 試驗件鋪層形式

試驗內(nèi)容及結(jié)果

通過專用夾具對試驗件實施不同偏心距條件下的單軸偏心壓縮，測定其力學(xué)行為（應(yīng)力－應(yīng)變曲線）和極限載荷。如圖2所示為四種偏心距情況下試驗件最終破壞情況。

圖1 試驗夾具原理圖和實物照片

圖2 4種偏心距試驗典型破壞情況

圖3 加載原理圖

試驗數(shù)據(jù)分析

壓縮、彎曲應(yīng)變計算

試驗加載時通過試驗夾具保證的載荷中線與試驗件形心中性面之間的距離定義為名義偏心距。通過分析可知，偏心加載可以看成對心壓縮和端部彎矩的疊加作用，如圖3所示為偏心加載的原理圖。

從圖中可以看出，試驗件兩側(cè)表面應(yīng)變值為壓縮與彎矩相互作用結(jié)果，因此根據(jù)“背靠背”應(yīng)變片的應(yīng)變值可以計算出兩者單獨作用的應(yīng)變εF和εM。其中εmin和εmax分別為試驗件 “背靠背”應(yīng)變片的應(yīng)變值：

壓彎耦合作用分析

為分析壓縮和彎矩之間的作用關(guān)系并總結(jié)失效規(guī)律，繪制各個鋪層情況下試驗件由壓縮引起的應(yīng)變和彎曲引起的關(guān)系圖，然后采用線性擬合得到兩種應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，同時擬合數(shù)據(jù)分布帶的下限，結(jié)果如圖4所示，各鋪層擬合結(jié)果如表2所示，其中應(yīng)變?yōu)榻^對值。

表2 各鋪層應(yīng)變關(guān)系擬合結(jié)果

分析擬合結(jié)果可以看出，試驗件破壞受到最大應(yīng)變（εmax=εF+εM）影響，而分布下限則受到分散性影響，差別比較大。最大應(yīng)變則受層合板最外層強度影響，工程中難以進(jìn)行快速評估。

偏心壓縮的工程評估

為尋找工程適用的快速評估方法，分析各鋪層情況下對心壓縮試驗結(jié)果，認(rèn)為對心壓縮試驗件破壞時的εF平均值為此類試驗件純壓縮的破壞應(yīng)變ε0，計算得到各鋪層情況ε0結(jié)果如表3。

圖4 各鋪層試驗件壓縮、彎曲應(yīng)變關(guān)系

圖5 各鋪層試驗件壓縮、彎曲應(yīng)變關(guān)系擬合（2）

表3 各鋪層壓縮破壞應(yīng)變ε0

對各鋪層的試驗結(jié)果進(jìn)行再次擬合，擬合公式為εF+a·εM=ε0。各鋪層的擬合情況如圖5所示，擬合結(jié)果見表4。

表4 各鋪層應(yīng)變關(guān)系擬合結(jié)果

從擬合結(jié)果可以看出，εM所占比例均比εF小，且除鋪層4以外，其他三種鋪層擬合參數(shù)a在0.65－0.73之間。工程評估時可以根據(jù)層合板對心壓縮數(shù)據(jù)與擬合參數(shù)a快速評估復(fù)合材料偏心壓縮的失效載荷。

結(jié)語

（1）復(fù)合材料偏心壓縮時，主要受外表面單層壓縮強度的影響；

（2）根據(jù)對心壓縮結(jié)果擬合試驗數(shù)據(jù)，疊加時εM對破壞影響小于εF，除[±45]的均衡鋪層以外，其他三種鋪層εM與εF影響比例a在0.65～0.73之間。

王秋宇 湯家力

上海飛機設(shè)計研究院

王秋宇，男，助理工程師，上海飛機設(shè)計研究院，主要方向為飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.048