一種用于材料力學實驗教學的復合材料實驗

徐香新

摘 要：為豐富材料力學實驗教學內容，現提出一種可用于材料力學實驗教學的復合材料實驗。該復合材料以橡膠材料為基體，以聚氨酯材料為增強體，通過物理嵌入的方法結合而成。實驗當中通過諸項合理的假設，將復合材料力學問題簡化為普通的材料力學問題。實驗過程中，學生需對復合材料試件進行單向加載，進而測定復合材料的彈性模量。該實驗項目可以幫助學生開拓視野，增加學生的動手能力，并在制作復合材料試件過程中提高實驗人員的業務能力。

關鍵詞：材料力學實驗 實驗教學 復合材料

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0164-02

Abstract：In order to enrich the experimental teaching content of material mechanics， a composite material experiment is put forward， which can be used in the experiment teaching of material mechanics. Composite material is made of rubber material as matrix and polyurethane material as the reinforcing material. Through many reasonable hypotheses， the mechanical problems of composite materials are simplified to ordinary materials. By single loading and measuring the elastic modulus of composite materials， it can help students develop their vision， study theory knowledge， increase practical ability of students and can improve the operational capability of the experimental personnel in the process of making composite materials.

Key Words： Material mechanics experiment； The teaching of experiment； Composite material

在現階段的高等教育中，高校不應該僅僅重視理論教學，更應該重視培養學生的實踐能力和綜合素質。材料力學實驗課程不僅可以訓練學生的動手能力，更能增強學生的思維訓練。目前材料力學實驗課程內容相對傳統，雖然有部分實驗內容經久不衰，但為了能更好的幫助學生提高實驗技能，有必要對材料力學實驗課程內容進行創新[1-4]。針對學生對非金屬復合材料力學性能認識不足這一情況，設計了一種新型的復合材料實驗。希望該實驗可以豐富學生的理論知識，提高學生的實驗技巧。

1 實驗設計

一般來說復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。復合材料中的多種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料[5-6]。工程中常用的復合材料可以看成由基體和增強體兩類介質組成的材料。

復合材料實驗試件設計[7]過程中，基體成分選用具有高彈性能的橡膠材料[8-9]，增強體成分選用彈性模量更高的聚氨酯材料[10-11]。基體成分加工成長方體橡膠塊，并在橡膠塊上鉆通孔，保證孔徑大小一致，且均布分布在長方體橡膠塊上。增強體加工成圓柱體，保證圓柱體的直徑與橡膠中孔徑大小一致，圓柱體的高度與長方體橡膠塊的高度一致。將加工好的增強體嵌入到基體的通孔中，以橡膠材料為基體、聚氨脂材料為增強體的單向纖維復合材料力學模型制作完成。

為了使實驗數據具有可比較性，制作過程中，制作了兩種嵌入不同數量增強體的復合材料，兩種復合材料分別嵌入了4根增強體和8根增強體，簡稱為4根試件和8根試件。兩種試件的示意圖如圖1所示。

2 實驗原理

2.1 實驗值分析

實驗過程中，通過壓縮試件，測量其在增強體軸線方向的變形量，來確定復合材料的彈性模量。為了使復合材料的彈性模量可以用材料力學的方法來測定，還需基于復合材料力學分析中的如下假設[12-15]：復合材料中組分材料彈性模量比較接近；且組分材料為均質、線彈性和各項同性；增強體在基體中均勻分布；復合材料單向受力且處于小變形狀態等。

根據胡克定律，材料在增強體軸線方向上彈性模量E 的實驗值為：

3-1

式中：P為沿增強體軸線方向對試件施加的載荷；

L為試件在增強體軸線方向的高度；

為試件在增強體軸線方向的變形量；

A為試件的橫截面積。

由于實驗試件的加載面積以及增強體軸線方向的高度已知，學生在實驗過程中，僅需記錄實驗試件加載時試件所受的載荷以及試件在增強體方向上對應產生的變形量，即可計算復合材料彈性模量的實驗值。

2.2 理論值分析

當復合材料試件沿增強體軸線方向受壓時，其增強體和基體沿該方向產生的應力和分別為：

3-2

3-3

式中：為增強體材料的彈性模量；

為基體材料的彈性模量；

為試件在增強體軸線方向的應變；

可將復合材料所受的壓力分解成兩個部分，并由基體和增強體分別承擔，則有：endprint

3-4

式中：σ為復合材料受壓時所受的應力；

σf為增強體材料受壓時所受的應力；

Af為增強體材料的截面面積；

σm為基體材料受壓時所受的應力；

σm為基體材料的截面面積；

將式3-2和3-3式代入3-4式，得

3-5

當兩種組分材料的彈性模量和相關尺寸確定以后，可根據3-5式確定復合材料在該方向上彈性模量E的理論值。

實驗結果表明兩種復合材料試件彈性模量的實驗值和理論值有非常良好的一致性，從而證明實驗設計的科學性與合理性。

3 結語

本實驗作為一種新型的復合材料力學實驗，豐富了材料力學實驗教學內容，有一定的創新性。實驗過程當中，讓學生初步了解復合材料的組成及基本結構形式，幫助學生開拓視野，增強學生的學習興趣。

本實驗項目，通過合理的假設，將復雜問題進行簡化求解，幫助學生進一步熟悉和掌握材料力學實驗的基本原理和基本方法，起到督促學生重視理論學習與增強動手能力的作用。同時在復合材料試件制作過程當中，可以增強實驗人員的業務能力。

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