碳玻混雜復(fù)合材料層合板拉伸性能仿真與試驗(yàn)★

李 想，朱永凱，王 哲，鄭春生，張 偉，江文強(qiáng)

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003;2.勝利石油管理局有限公司電力分公司，山東 東營 257000；3.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011)

傳統(tǒng)輸電桿塔多由鋼材加工制造而成，然而由于鋼材密度大、易腐蝕，且本身為導(dǎo)體，并非理想的桿塔建筑材料，因此尋求輕質(zhì)、高性能的材料已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題[1]。因纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[2]，將其作為輸電桿塔制作材料已成為現(xiàn)在發(fā)展趨勢[3]。但玻璃纖維復(fù)合材料存在彈性模量小、載荷作用下變形大等弊端，因此有必要通過不同纖維材料混雜來提高復(fù)合材料的機(jī)械力學(xué)性能[4]。國內(nèi)外學(xué)者從材料選擇[5-8]、混雜比例[9-12]、纏擾方式[13-15]等方面提出了改善復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)以及提高桿塔強(qiáng)度等方法。本文以碳玻混雜復(fù)合材料為研究對象，對不同纖維比例與鋪層角度的層合板進(jìn)行有限元模擬和試驗(yàn)研究分析，以此獲得不同混雜種類之間力學(xué)性能差異，確定較好的纖維混雜比例與鋪層角度，從而為復(fù)合材料在輸電桿塔的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 碳玻纖維復(fù)合材料層合板拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)設(shè)計了全為碳纖與碳玻混雜1∶1兩種類型層合板材料。為保證碳玻的摻雜比例，對全碳纖維層壓板沿厚度方向鋪設(shè)12層，碳玻混雜比為1∶1的層壓板沿厚度方向鋪設(shè)8層。以碳纖維0°方向?yàn)榛鶞?zhǔn)對其進(jìn)行切割，分別得到0°，45°不同纖維鋪層的層合板。對全碳纖維方向?yàn)?°的層合板編號為A-1，45°纖維方向編號為A-2；對碳玻混雜1∶1纖維方向?yàn)?°的層合板編號為B-1，45°纖維方向編號為B-2。試驗(yàn)參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[16]對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，且為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將試樣分為4組，每組3根試件，共計12根試件進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，試樣的具體參數(shù)如表1所示，其幾何尺寸見圖1。

表1 拉伸試樣參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由力學(xué)拉伸試驗(yàn)所獲得的0°纖維鋪層的層合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。針對圖2中的曲線可以看出，A-1所獲得的彈性模量與抗拉強(qiáng)度均大于B-1，說明碳纖比例的增加可以明顯提高復(fù)合材料整體的力學(xué)性能，但其脆性也隨之增強(qiáng)。

圖3為45°纖維鋪層層合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。針對圖3中的曲線可以看出，隨著玻纖比例增加，在受拉時玻纖比碳纖吸收了較多的能量，B-2相較于A-2拉伸時間變長，塑性變強(qiáng)，玻纖的吸能能力顯著。結(jié)果表明，碳纖的混雜可以使復(fù)合材料的彈性模量與拉伸強(qiáng)度有所增加，當(dāng)碳玻混雜一定的比例時，不但節(jié)省材料成本，而且滿足材料使用強(qiáng)度的要求。

為了清晰比較不同混雜方式與不同纖維方向?qū)е碌慕Y(jié)果差異，從圖2與圖3拉伸試驗(yàn)曲線中分別提取拉伸試件的彈性模量與抗拉強(qiáng)度，其結(jié)果分別見圖4，表2。

表2 不同試件的拉伸性能

從圖4，表2中可以看出，全碳纖維層合板承受最大應(yīng)力是在0°纖維鋪層方向上獲得的，對其求平均值作為全碳纖維復(fù)合材料層合板的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果為710 MPa。而45°纖維鋪層方向的抗拉強(qiáng)度僅為210 MPa，是0°纖維鋪層方向抗拉強(qiáng)度的0.3倍。同樣對該類型層合板的兩個纖維方向的彈性模量取均值，0°纖維方向的拉伸彈性模量67.5 GPa，45°方向的拉伸彈性模量為11.31 GPa。當(dāng)層合板類型為碳玻混雜1∶1時，其承受最大應(yīng)力仍是在0°纖維鋪層方向上獲得的，0°纖維鋪層方向的抗拉強(qiáng)度550 MPa。45°纖維鋪層方向的抗拉強(qiáng)度為197 MPa，是0°纖維鋪層方向抗拉強(qiáng)度的0.35倍。對該類型層合板兩個纖維方向的彈性模量取均值，0°纖維鋪層方向的彈性模量44.05 GPa，45°方向的彈性模量為9.01 GPa。結(jié)果表明：0°纖維鋪層方向上，全碳相比于碳玻混雜比為1∶1的層合板彈性模量高53%，抗拉強(qiáng)度高29%；45°纖維鋪層方向上，全碳相比于碳玻混雜比為1∶1的層合板彈性模量高26%，抗拉強(qiáng)度高7%。0°和45°兩個纖維鋪層方向，均表現(xiàn)出拉伸彈性模量的提高幅度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度的提高幅度。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

采用Abaqus有限元軟件模擬層壓板的拉伸試驗(yàn)，建模過程如下：按照表1要求分別建立全為碳纖維與碳玻混雜比為1∶1復(fù)合材料拉伸試樣的三維實(shí)體模型，根據(jù)表2試驗(yàn)所測性能參數(shù)，取其均值作為四種不同材料屬性的參數(shù)設(shè)置。選擇單元類型為SC8R連續(xù)殼單元，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為37 500。在約束模塊中，對一端加強(qiáng)片粘貼區(qū)域施加鉸接約束，對另一端加強(qiáng)片粘貼區(qū)域施加2 mm位移約束。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖5為層合板仿真拉伸性能結(jié)果對比，其具體數(shù)值已列于表2，排除試件參數(shù)隨機(jī)性所帶來的差異，其結(jié)果表明仿真與實(shí)驗(yàn)對比較好。

考慮試驗(yàn)隨機(jī)參數(shù)差異不大，所以任選一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真進(jìn)行對比。圖6為試樣拉伸時仿真與試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖，由圖6可知，0°纖維鋪層方向仿真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)較為吻合；45°纖維鋪層方向仿真的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)值的彈性階段較為吻合，之后在塑性階段試驗(yàn)曲線的斜率變小，仿真曲線與試驗(yàn)曲線的差距增大。

為更直觀比較仿真與試驗(yàn)的差別，分別提取四種編號復(fù)合層壓板的應(yīng)力云圖，見圖7。

由圖7可知，試樣兩端粘貼加強(qiáng)片，應(yīng)力集中區(qū)域均位于加強(qiáng)片與試樣的過渡區(qū)域，這表明試樣的破壞是由于拉伸試驗(yàn)設(shè)備的夾持而不是復(fù)合材料的拉伸破壞。對于全碳、碳玻混雜1∶1纖維角度均為0°的試樣，其加強(qiáng)片之間區(qū)域的應(yīng)力分布均較一致；而對于纖維角度為45°的試樣，應(yīng)力數(shù)值較小，且在加強(qiáng)片與試樣的過渡區(qū)域應(yīng)力分布不均勻，在試樣邊緣與中心區(qū)域應(yīng)力分布較小。

3 結(jié)論

本文對全碳與碳玻混雜比為1∶1的兩類層合板，開展0°與45°不同鋪層角度的軸向拉伸研究，通過有限元模擬與試驗(yàn)研究分析，研究各參數(shù)對拉伸強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，得到結(jié)果如下：

1)隨著碳纖比例的增加，且碳玻混雜一定的比例時，不但節(jié)省材料成本，而且滿足材料使用強(qiáng)度的要求。

2)提高碳纖維摻雜比例會提高試樣的抗拉強(qiáng)度與彈性模量。0°纖維鋪層方向上，全碳相比于碳玻混雜比為1∶1的層合板彈性模量高53%，抗拉強(qiáng)度高29%；45°纖維鋪層方向上，全碳相比于碳玻混雜比為1∶1的層合板彈性模量高26%，抗拉強(qiáng)度高7%。

3)在彈性階段，仿真的應(yīng)力應(yīng)變曲線與試驗(yàn)值較吻合，而對于45°纖維鋪層方向的塑性階段相差較大，在后續(xù)工作中可以對塑性階段展開詳細(xì)研究。