玻璃纖維增強塑料拉伸及剪切性能試驗研究

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

【摘要】：以測定纖維增強塑料力學性能參數為目標，開展了玻璃纖維平紋布試樣拉伸及剪切性能參數測試試驗。研究了玻璃纖維布不同纖維方向的試樣在拉伸及剪切載荷作用下的曲線特征及破壞形態。給出了力學性能參數求解公式，測定了相關參數。運用測定的玻璃纖維平紋布力學性能參數在有限元軟件中進行試樣的建模與仿真。驗證了玻璃纖維平紋布力學性能參數的可靠性。研究結果表明：試樣應變的試驗值與仿真值基本吻合；實驗室條件下，測得的力學性能參數具有一定的可靠性。

【關鍵詞】：纖維增強塑料；拉伸；剪切；性能測試；有限元

1 試驗準備

1.1 試驗材料

在玻璃纖維增強塑料拉伸及從橫剪切性能試驗中，制備試樣采用的玻璃纖維平紋布型號為EW100A-100a，由中材科技股份有限公司生產?；w為環氧樹脂，型號為WSRE-51，標準號為Q/320601ZHS401，由南通星辰合成材料有限公司生產。玻璃纖維單向帶、碳纖維平紋布、單向帶的測試方法與此相似，不再詳述。

1.2 試樣制備

參照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》[7]、GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[8]和GB/T 3355—2005《纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法》[9]進行試樣制備。為了便于試樣加工及打磨等處理，測定拉伸應力、拉伸彈性模量以及應力-應變曲線的試樣類型選為GB/T 1447—2005中的Ⅱ型試樣型式。

1.3 試驗設備

本次試驗采用的拉伸試驗機是由廣州市廣材試驗儀器有限公司生產的20KN萬能拉伸試驗機，精度可達到0.5級，符合GB/T 1447—2005中第5章的規定，可比較方便的設置加載速度、加載大小等參數。出于能夠準確測試試樣應變的角度考慮，并沒有選用拉伸試驗機的配件來進行測試位移變化量，進而計算應變等參數，而是選用中航電測生產的ZF120-05CA（13）應變花以測試試樣的橫縱應變，應變測試儀為江蘇聯能電子技術有限公司生產的YE2538程控靜態應變儀。另外，依照試驗測試精度要求，選取游標卡尺、螺旋測微器等配套儀器設備。

2 試驗過程

2.1 試樣測量

依照GB/T 1447—2005中8.3要求測量試樣寬度、厚度，測量精度須符合GB/T 1446—2005中4.5.1的規定。

2.2 試樣夾具

夾持測試樣時，試樣中心的縱向軸線與試驗機上下夾具的加載軸線平行對中，防止產生過大的附加彎曲應力；保證夾具與試樣間壓力足夠，防止滑動影響測量結果。

2.3 加載方式

受限于測試設備的影響，本次試驗中測試彈性模量、泊松比時選用分級加載，級差載荷大小、級差總數遵循GB/T 1447—2005中8.8的規定要求；測定拉伸應力、試樣破壞載荷時采用連續加載方式進行加載。

2.4 加載速度

按照GB/T 1447—2005中7.2的規定確定測定試樣模量、泊松比及強度的加載速度。在確定加載方案之后，對試樣進行施加初載，以檢查試樣調節、調整儀表，確保整個系統處于正常工作狀態。

試驗過程中，出現同批、同種類試樣個數不夠、破壞位置不符要求時，須重做試驗。

3 現象及分析

3.1 試驗現象

玻璃纖維平紋布在1方向、2方向的試樣在加載過程中伴隨有“噼啪”的纖維斷裂聲，越接近加載后段，聲音越緊促、密集，最后隨一聲沉悶的“嘣”聲，試樣達到極限載荷發生破壞，大部分纖維被拉斷。玻璃纖維平紋布在3方向的試樣在加載過程，同樣伴有“噼啪”的纖維斷裂聲，但是試樣的位錯現象明顯，體現塑性變形的特性，試樣斷裂破壞時，存在明顯的層間分離現象。

3.2 數據分析

在試驗過程中，可從拉伸試驗機配套的軟件中讀取相應的加載速度、加載方式，獲取及力-位移、力-時間曲線圖；分級加載時，每一級載荷下試樣的橫向、縱向應變數據均可由應變儀保持記錄，拉伸應力按（1）式進行計算。

玻璃纖維平紋布1方向和2方向的試樣拉伸強度（試樣在極限拉伸載荷下對應的拉應力）、彈性模量、以及泊松比可參照GB/T 1446—2005第6章規定由以上（1）～（3）式計算求得。

測定剪切模量、剪切強度時的剪切應力按照（4）式進行計算：

玻璃纖維平紋布3方向試樣剪切強度（試樣在極限載荷下對應的剪切應力）、剪切模量可參照GB/T 3355—2005中第7章規定以及以上（4）～（6）式計算求得。

4 仿真驗證

為了檢驗測試結果的準確性，在有限元軟件中建立拉伸試樣的模型，輸入測得的力學性能參數，對試樣拉伸試驗進行仿真分析。顯示試樣在試驗中應變片粘貼位置處的橫向、縱向拉伸應變，將仿真值與試驗值進行對比驗證[10-12]。表2為試樣拉伸試驗待測點應變與有限元仿真模型中的應變數據對比情況。玻璃纖維平紋布1、2方向的正應變試驗值與仿真值誤差均在5%以內，鑒于拉伸試樣在實驗室條件下，手工制作過程中存在一定的誤差與缺陷，認為此次玻璃纖維力學性能參數試驗測試結果較為可靠。

5 結論與展望

（1）玻璃纖維平紋布橫、縱方向的試樣在拉伸試驗中展現出良好的線性度，彈性特征明顯，幾乎不存在塑性變形。

（2）玻璃纖維平紋布45°試樣在加載過程中位錯現象明顯，存在類似于金屬的塑性變形，斷裂時間長，分層現象明顯。

（3）待測玻璃纖維平紋布縱向的彈性模量、拉伸強度均小于橫向值。

參考文獻：

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