玻璃鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周彬?朱炳麟

摘 要：采用5種配合比制作玻璃鋼試件作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)中的抗拉強(qiáng)度、中點(diǎn)彎曲撓度和抗彎剛度，研究玻璃鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。結(jié)果表明，不同配合比制作的玻璃鋼試件抗拉強(qiáng)度和抗彎剛度表現(xiàn)不同，隨著玻璃鋼材料中聚酯比例的增加，玻璃鋼材料密度逐漸增大，玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度和抗彎剛度提升;但是，隨著拉伸速率和重力載荷數(shù)值的增加，玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度和抗彎剛度逐漸降低，中點(diǎn)彎曲撓度逐漸增大。玻璃鋼結(jié)構(gòu)拉伸力學(xué)性能和彎曲力學(xué)性能對(duì)材料密度和外部受力的依賴(lài)性較大，當(dāng)玻璃鋼材料密度為0.492 g/cm3、聚酯材料配比為31.46 kg/m3時(shí)，玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能最好。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼;力學(xué)性能;抗拉強(qiáng)度;中點(diǎn)彎曲撓度;抗彎剛度

中圖分類(lèi)號(hào)：TB302.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）34-00-03

Experimental Study on Mechanical Properties of FRP Structures

ZHOU Bin ZHU Binglin

（Shanghai Aerospace Control Technology Institute， Shanghai 201109）

Abstract： FRP specimens were made with five kinds of mixing ratios. As test objects， tensile and bending tests were carried out， and the tensile strength， midpoint bending deflection and bending stiffness in the tests were recorded so as to study the mechanical properties of FRP structures. Results： show that different mixture made of glass fiber reinforced plastic specimen tensile strength and flexural rigidity performance is different， with the increase of polyester proportion in the glass fiber reinforced plastic materials， glass fiber reinforced plastic material density increased gradually， the structure of glass fiber reinforced plastic tensile strength and flexural rigidity to ascend， but with the increase of stretching rate and gravity load numerical， glass fiber reinforced plastic tensile strength and flexural stiffness gradually reduce， the midpoint bending deflection increases gradually. The tensile and flexural mechanical properties of FRP structure have great dependence on material density and external force. When the density of FRP material is 0.492 g/cm3 and the ratio of polyester material is 31.46 kg/m3， the tensile strength of FRP structure is the best.

Keywords： FRP;mechanical properties;tensile strength;midpoint bending deflection;bending stiffness

玻璃鋼屬于一種復(fù)合纖維工業(yè)材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器零件和輪船制作等領(lǐng)域[1]。玻璃鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，并且結(jié)構(gòu)的減重問(wèn)題比較突出，結(jié)構(gòu)纖維比較松散，只能承受拉力，不能承受彎曲和剪切。當(dāng)承受一定載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形，因此從理論分析和數(shù)值模擬分析上很難準(zhǔn)確確定玻璃鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征[2]。玻璃鋼是一種新型的復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)目前對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究較少。為了使玻璃鋼材料代替鋼材廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，需要明確其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。通過(guò)試驗(yàn)分析玻璃鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，主要涉及玻璃鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的玻璃鋼材料為比較常見(jiàn)的聚酯玻璃鋼，標(biāo)號(hào)為MH1、MH2、MH3、MH4、MH5，其配合比分別為聚酯26.1 kg/m³、聚酯28.3 kg/m³、聚酯31.5 kg/m³、聚酯33.5 kg/m3和聚酯35.2 kg/m³，玻璃纖維和酚醛樹(shù)脂含量均相同，分別為156 kg/m³和13 kg/m³。

按照上述配合比制作玻璃鋼試件，試件規(guī)格為200 mm×200 mm×400 mm，試件相對(duì)密度分別為0.264 g/cm³、0.367 g/cm³、0.492 g/cm³、0.569 g/cm³、0.694 g/cm³。

1.2 試驗(yàn)方法

為了更好地分析玻璃鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，將試驗(yàn)分為拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)兩部分。

拉伸試驗(yàn)主要考察不同材料密度下的結(jié)構(gòu)拉伸力學(xué)行為，分析玻璃鋼拉伸力學(xué)性能對(duì)材料密度的依賴(lài)效應(yīng)[3]。試驗(yàn)需要使用的儀器設(shè)備為上海OP儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SDFDS/A5F4拉伸試驗(yàn)機(jī)、深圳NKGH公司生產(chǎn)的SHAI/A5S5F顯微鏡以及天津HSDAJ公司生產(chǎn)的SHIAF/54ADF45AW彎曲試驗(yàn)機(jī)。在拉伸試驗(yàn)前，要檢查制備的玻璃鋼試樣尺寸大小是否符合試驗(yàn)要求，外觀是否完好，有無(wú)裂縫[4]。利用專(zhuān)用夾具將玻璃鋼試件固定，將SDFDS/A5F4拉伸試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率初始值設(shè)定為10 mm/min，對(duì)玻璃鋼試件在常溫環(huán)境下進(jìn)行單軸拉伸，拉伸3次，并利用SHAI/A5S5F顯微鏡對(duì)玻璃鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察[5]。之后，將SDFDS/A5F4拉伸試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率依次增加到15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min、35 mm/min、40 mm/min，重復(fù)以上試驗(yàn)步驟。

然后，對(duì)玻璃鋼試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。根據(jù)變形固結(jié)理論，玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗彎剛度用載荷及位移表示，玻璃鋼結(jié)構(gòu)位移用式（1）表示：

G=wr/2（r+e）u （1）

式中：G為玻璃鋼結(jié)構(gòu)位移;w為玻璃鋼結(jié)構(gòu)載荷;r為玻璃鋼結(jié)構(gòu)彈性模量;a為玻璃鋼結(jié)構(gòu)等效抗彎剛度;e為玻璃鋼結(jié)構(gòu)等效剪切剛度;u為玻璃鋼結(jié)構(gòu)的剪切模量[6]。利用式（1）計(jì)算出玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。利用天津HSDAJ公司生產(chǎn)的SHIAF/54ADF45AW彎曲試驗(yàn)機(jī)采用控制加載位移的方式對(duì)試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。SHIAF/54ADF45AW彎曲試驗(yàn)機(jī)的初始加載中重力為

10 N，加載速率為10 mm/s，當(dāng)玻璃鋼試件的受力降到0時(shí)停止試驗(yàn)[7]。測(cè)量玻璃鋼試件的抗彎剛度。然后加載重力載荷，分別為20 N、40 N、60 N、80 N、100 N、120 N，重復(fù)上述過(guò)程。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

在玻璃鋼試件拉伸試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定玻璃鋼試件的抗拉強(qiáng)度，如圖1所示。

從圖1可以看出，在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，玻璃鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有明顯變化，拉伸速率和玻璃鋼材料的密度對(duì)玻璃鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有較大影響。在玻璃鋼試件彎曲試驗(yàn)中，利用彎曲撓度測(cè)量?jī)x對(duì)各個(gè)玻璃鋼試件的彎曲撓度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

利用式（1）計(jì)算出玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2可以看出，玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗彎剛度受重力載荷影響較大。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度力學(xué)性能分析

玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗拉力學(xué)性能受到材料密度和拉伸速率的影響。隨著玻璃鋼材料中聚酯比重增加，玻璃鋼材料密度逐漸增大，玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能逐漸提升。當(dāng)玻璃鋼材料密度為0.492 g/cm³、聚酯材料配比為31.46 kg/m³時(shí)，玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能最佳。玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗拉力學(xué)性能還會(huì)受到拉伸速率的影響，隨著拉伸速率的增加，玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗拉性能逐漸下降。

2.2 玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗彎剛度力學(xué)性能分析

在彎曲試驗(yàn)中，雖然玻璃鋼結(jié)構(gòu)彎曲變形較大，但其抗彎剛度變化并不明顯。由此得出，玻璃鋼結(jié)構(gòu)的抗彎力學(xué)性能特征主要表現(xiàn)為剪切變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，玻璃鋼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

研究玻璃鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，主要與玻璃鋼材料配合比有關(guān)。因此，在制作玻璃鋼材料的過(guò)程中，可以通過(guò)提升玻璃鋼材料中的聚酯比例來(lái)提高玻璃鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本研究對(duì)玻璃鋼材料制作工藝優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，也為玻璃鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。但是，本研究?jī)H分析了玻璃鋼結(jié)構(gòu)的拉伸和彎曲兩種力學(xué)性能，研究?jī)?nèi)容未涉及玻璃鋼結(jié)構(gòu)的其他力學(xué)性能。今后將針對(duì)沖擊力學(xué)性能進(jìn)行研究，充實(shí)玻璃鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能理論內(nèi)容。

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