低溫對玻璃鋼復合材料拉伸性能影響

蘆麗麗　祁文軍　王良英　陳海霞

摘 要：試驗以及ANSYS workbench有限元模擬的方法研究了不同鋪層的玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料在-40～80℃的低溫下的彈性模量以及拉伸強度隨溫度變化的規律。結果表明：有限元模型能夠較為精準地模擬不同溫度下的拉伸過程，模擬的最大誤差僅為8.06%；在-40～80℃的溫度下，隨著溫度的上升葉根材料的縱向拉伸強度降低幅度最大，為27.07%，而層合板的縱向彈性模量只有葉根材料和蒙皮材料變化較為明顯。

關鍵詞：復合材料；高低溫力學性能；性能預測

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.006

中圖分類號： TK83

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0031-06

Abstract：Using the method of experiment and ANSYS workbench we study the different layers of glass fiber composite material`s mechanical properties under the temperature environment （from -40 to 80℃）. Material elastic modulus and tensile strength changes with temperature.Simulation results show that： Finite element model can simulate the experimental process more accurtely， and the maximum simulation error is only 8.06%. Experimental results show that as the temperature rise of glass fiber composite materials tensile strength were decreased， and the blade root materials tensile strength and the root materials elastic modulus with temperature change is most obvious， which is 27.07%. But， only hub material and skin material′s longitudinal elastic modulus obviously changed.

Keywords：composite material； mechanical property under extremely temperature； performance prediction

0 引 言

玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料由于其密度小、強度、耐腐蝕等顯著優點，常用于制造大型風力機葉片。但由于近年來，溫室效應引起全球氣候變暖，導致了全球氣候的不穩定性，極熱或極冷的天氣狀況出現幾率日益增多，極端溫度變化對玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料性能的影響已不容忽視[1]。

目前，國內外對風機葉片的研究焦點基本均集中在葉片結構性能以及疲勞壽命等問題上，考慮氣溫因素的影響卻很少[2-6]。劉康等[2]人對纖維增強聚合物基復合材料的低溫性能做了整體分析，揭示了低溫環境下，纖維增強聚合物基復合材料性能的影響因素主要是基體和纖維之間的界面效應。曾紅燕，翁春曉[3-4]對玻璃纖維復合材料進行超低溫性能測試，結果顯示低溫環境下，玻璃纖維復合材料的力學性能會有一定的提升。Peeyush Bhargava[6]則通過實驗數據得到不同溫度下的葉片材料彈性模量和剪切強度，研究表明：復合材料和溫度的關系是隨著溫度的升高，材料的抗拉強度、抗壓強度、剪切強度和彈性模量都會下降，并且在小的變化范圍內呈近似線性關系。但是溫度的變化不僅能改變葉片的材料屬性，也會導致葉片的應力、應變變化。

為此，作者以玻璃纖維增強環氧樹脂層合板為研究對象，考慮葉片工作的實際情況，由文[13-15]可知當環境溫度為-30～40℃時，由于光照或者比熱容等物理因素的影響，葉片的實際工作溫度為-40～80℃。因此對其在-40～80℃的溫度的殘余應力進行了較精確的測試。然后通過力學試驗以及ANSYS workbench軟件分析它的拉伸強度和彈性模量，從而為之后進行的風力發電機葉片性能分析提供可靠的依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料有E44（6101）雙酚A型環氧樹脂，雷克德高分子（天津）有限公司；玻璃纖維分別為0°，EWR2050型無堿玻纖布，±45°，EWR1050型無堿玻纖布，90°，EWR2050型無堿玻纖布，泰山玻璃纖維有限公司；Butanox M50固化劑（過氧甲基乙基酮，鄰苯二甲酸二甲酯溶液）。

試驗所用的所有的試樣均委托青島逸凡風力發電設備有限公司采用纏繞以及預浸料/熱壓工藝來制備，之后通過切割機按照《GB/T3354-2014定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》中要求的試件的尺寸進行切割。

由于在風力發電機運轉的過程中，葉片各個部分所受到的載荷類型和大小均有所不同，目前在對葉片進行研究時，大多數學者將葉片分為葉根、主梁、蒙皮以及腹板4個部分[7]，如圖1所示，其中葉根為與輪轂連接處。其中葉根主要承受彎曲和扭轉載荷；主梁是葉片軸向上承擔揮舞彎矩的主要結構；蒙皮其主要作用是承擔葉片所受的扭轉載荷、防止單向纖維布鋪層開裂、防止葉片表面出現局部凹陷；腹板主要承受剪切載荷以及提供抗屈曲穩定性[8]。根據文[7-12]選取的鋪層角度如表1所示。

1.2 試驗方法

試驗將編號為1～4的4種試樣分別在-40℃，-5℃，25℃，40℃，80℃共計5個溫度點測試可承受的最大力，每個溫度點測試5個試樣，之后通過試驗數據計算4個溫度點的拉伸強度和彈性模量。試驗先將每組試樣分別放入加熱爐在特定的溫度下保持48h后，進行力學性能測試。

拉伸試驗采用 WDW10C型微機控制電子萬能試驗機：拉伸強度按照GB/T3354-2014測試，拉伸速率為2mm/min。

復合材料縱向拉伸強度σb計算公式為：

σb=Pmwb（1）

式中：Pm為試樣工作段的斷裂載荷；W、b分別為試樣工作段的寬度和厚度。

縱向彈性模量E的計算公式為：

E=σε=PLwbΔL（2）

式中：P為試樣的拉伸載荷，L為試樣標距L=100mm，w、b分別為試樣工作段的寬度和厚度，ΔL為拉伸時工作段的絕對伸長。

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本構關系

在對復合材料進行熱力學分析時，由于溫度的變化對纖維的楊氏模量影響很小，其變化基本可以忽略不計，因此在考慮溫度變化對復合材料性能的影響時，只考慮溫度對樹脂基體楊氏模量的影響，最后由HalpinTsai模型得到復合材料的材料參數。

環氧樹脂材料的本構關系模型依據文[3]選用以Maxwell模型推導出的低溫復合材料熱力學本構關系，該模型得到的隨著溫度變化的環氧樹脂楊氏模量具有很高的精度。環氧樹脂的楊氏模量與溫度的函數關系式為：

Em=3.38×2-e0.718×T-293293（3）

其中：T為溫度，單位為K；Em為環氧樹脂的楊氏模量，單位為GPa。

取環氧樹脂常溫下泊松比為0.35，得到環氧樹脂的剪切模量以及熱膨脹比隨溫度的函數關系式：

2.2 模型的建立

為了使模擬結果與真實試驗效果接近，建立尺寸為250×25mm2的矩形板，采用正六面體進行網格劃分，最小單元為1mm，最大為2mm，共生成1619個網格，材料參數如表2所示，之后通過ACP對試件進行鋪層，層合板鋪層方式如表1所示，單層板厚度為0.2mm，鋪層后葉根材料性能參數如圖2所示，圖中所有單位均為Pa，依據該層合板，建立起有限元模型對其進行拉伸模擬。

在試驗過程中，溫度以及集中力載荷均對試樣的性能產生影響，在ANSYS workbench中將熱力學分析與靜力學結構分析相結合，能夠更加精確地模擬試驗環境。圖3為熱-結構耦合后的命令樹。在結構分析過程中將試樣一端固定，另一端施加集中力載荷，集中力大小為試驗所得最大力。圖4為葉根部分25℃時等效應力云圖。

3 結果與分析

將葉根、主梁、蒙皮和腹板四種試件在不同的溫度下進行試驗，通過試驗以及模擬得到在不同溫度下的拉伸強度和彈性模量，現將各個試樣的試驗結果分述如下。

3.1 不同溫度下葉根材料的力學性能

由模擬及試驗得出的不同溫度條件下葉根材料拉伸強度以及彈性模量試驗數據如表3所示。

將5個溫度點下葉根材料的拉伸強度以及彈性模量的數據，通過簡單的曲線擬合，得到葉根擬合曲線如圖5和圖6，所得直線方程為式（7）和式（8）。

從圖5和圖6中可以直觀的看出，葉根材料的拉伸強度和彈性模量均與溫度近似呈線性關系，并隨著溫度的升高而降低。此外，從表3中數據得出，ANSYS能夠較為精確的模擬低溫環境下復合材料的拉伸試驗，最大模擬偏差僅為8.06%；對表2中數據進行簡單計算可以得到葉根材料在-40～80℃的環境下，隨著溫度升高，拉伸強度下降27.06%，彈性模量下降20.37%。

根據MATLAB的cftool數據擬合工具擬合出的方程，可以預測當溫度X取值為-40℃時，葉根材料的拉伸強度Y為389.42MPa，試驗平均值為411.21MPa，兩者的偏差精度為5.30%；彈性模量為31.90GPa，試驗平均值為31.44GPa兩者的偏差精度為1.46%。擬合方差分析見表4。

3.2 不同溫度下主梁材料的力學性能

由模擬及試驗得出的不同溫度條件下主梁材料拉伸強度以及彈性模量試驗數據如表5所示。

將5個溫度點下主梁材料的拉伸強度以及彈性模量的數據，通過簡單的曲線擬合式（9）和式（10）。

對主梁材料進行同樣分析可得：主梁材料在-40～80℃的環境下，隨著溫度升高，拉伸強度下降20.31%，彈性模量下降6.27%。

根據MATLAB的cftool數據擬合工具擬合出的方程，可以預測當溫度X取值為-40℃時，主梁材料的拉伸強度Y為328.97MPa，試驗平均值為314.53MPa，兩者的偏差精度為4.59%；彈性模量為8.70GPa，試驗平均值為8.85GPa兩者的偏差精度為1.69%。擬合方差分析見表6。

3.3 不同溫度下蒙皮材料的力學性能

由模擬及試驗得出的不同溫度條件下蒙皮材料拉伸強度以及彈性模量試驗數據如表7所示。

將5個溫度點下蒙皮材料的拉伸強度以及彈性模量的數據，通過簡單的曲線擬合，式（11）和式（12）。

3.4 不同溫度下腹板材料的力學性能

由模擬及試驗得出的不同溫度條件下腹板材料拉伸強度以及彈性模量試驗數據如表9所示。

將5個溫度點下葉根材料的拉伸強度以及彈性模量的數據，通過簡單的曲線擬合，公式13和公式14。

對腹板材料進行分析可得：蒙皮材料在-40℃～80℃的環境下，隨著溫度升高，拉伸強度下降22.85%，彈性模量下降6.89%。

根據MATLAB的cftool數據擬合工具擬合出的方程，可以預測當溫度X取值為-40℃時，腹板材料的拉伸強度Y為328.17MPa，試驗平均值為337.52MPa，兩者的偏差精度為2.77%；彈性模量為8.91GPa，試驗平均值為8.95GPa兩者的偏差精度為4.63%。擬合方差分析見表10。

4 結 論

1）通過擬合曲線可以看出，不同鋪層的玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料在溫度為-40～80℃的條件下，拉伸強度和彈性模量與溫度均呈線性關系，并隨著溫度的升高而降低。

2）對模型試件設置材料參數、鋪層角度以及層數，有限元模型能夠較為精準地模擬不同溫度下的拉伸過程，模擬最大誤差僅為8.06%，可以用于模擬試件的低溫變形行為。

3）在溫度為-40～80℃的條件下，溫度的升高會導致所有層合板的縱向拉伸強度有所下降，其中葉根材料下降幅度最大，為27.07%，蒙皮材料為25.46%，腹板材料為22.85%，主梁材料為20.31%。此外，隨著溫度的升高，主梁和腹板材料的縱向彈性模量變化并不明顯，而葉根和蒙皮材料的縱向彈性模量隨溫度升高分別下降了20.37%和14.66%。

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（編輯：關 毅）