復合材料單向板斷裂韌性的光彈性實驗研究

邱新新,常 紅

(太原科技大學工程力學系,太原030024)

纖維增強復合材料在現(xiàn)代工程結構中已得到廣泛應用,但由于復合材料在受載前就具有各種各樣的初始缺陷及損傷,而這些缺陷(裂紋)的存在勢必影響復合材料結構的失效強度。因此,測量復合材料斷裂韌度是復合材料斷裂力學的重要內(nèi)容,也是了解復合材料抗斷裂性能的重要手段。

斷裂韌度的測試方法大多針對金屬材料及復合材料層間斷裂,如董雁瑾等[1]研究了玻璃纖維增強復合材料層間斷裂韌性測試方法,常紅[2]等利用光彈性貼片法實測正交異性雙材料界面裂紋斷裂參數(shù)。本文參考金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法(GB 4161-84)[3],采用三點彎曲實驗與光彈實驗相結合,對單向纖維增強復合材料在裂紋與纖維方向垂直時的斷裂韌性進行測試。利用圖像采集卡進行光彈圖像實時采集,可以實時觀測裂紋尖端附近應力變化,并能直觀判斷裂紋開裂臨界狀況,得到了較好的實驗結果。

1 實驗原理

正交各向異性板,單邊穿透直裂紋的三點彎曲試件如圖1所示(試件及裂紋尺寸如圖所標示),當裂紋與纖維方向垂直時,并考慮試件加工及加載裝置的影響,其裂紋尖端呈現(xiàn)復合型應力狀態(tài),應力分量如下式表示[4-5]:

圖1 三點彎曲試樣Fig.1 Three-points bending specimen

對于正交各向異性板,當x,y軸與材料主方向重合時,應力應變關系式[6]為:

在光彈性貼片法中,條紋級次n能反映構件測點主應變差:

式中,t為貼片厚度,fε為貼片材料應變條紋值。

如主應變 ε1,ε2以測試點的 εx,εy,τxy表達,可得:

將式(1)-(4)代入式(6),得光彈條紋級數(shù)n與應力強度因子KⅠ,KⅡ的關系式:

如在臨界載荷所對應的光彈條紋圖上取任意兩點 γi,nj,θi(i=1,2),代入式 (7)即可算出材料斷裂韌性KIC.

2 實驗研究及數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗過程

實驗材料為模壓成型玻璃纖維/環(huán)氧單向板,纖維含量60%,試件加工參考金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法國家標準,使用自制0.2 mm薄鋸片在垂直纖維方向預制裂紋。采用聚碳酸酯作為貼片材料,貼片厚度為1 mm,在貼片單側面鍍鋁膜以提高貼片反射率。加載系統(tǒng)為材料試驗機,如圖2所示,壓頭以恒定速度(0.02 mm/min)對試件加載,光彈采用反射式T型光路,光路如圖3所示。采用CA-CPE-3000圖像采集卡進行光彈圖像連續(xù)采集。通過觀察條紋變化,可以直接觀察試件裂紋開裂過程,開裂前后圖像分別如圖4及圖5所示。利用采集到的圖像并結合P-V曲線(圖6),可以識別材料開裂臨界點。

圖2 測試系統(tǒng)Fig.2 System of test equipment

圖3 T型光路圖Fig.3 T-light road map

圖4 裂紋開裂前的圖像Fig.4 Image before cracking

圖5 裂紋開裂后的圖像Fig.5 Image after cracking

圖6 P-V曲線Fig.6 P-V curve

2.2 數(shù)據(jù)及圖像處理

通過載荷位移曲線與光彈圖像對比分析,確定裂紋開裂時的光彈圖像,臨界載荷P=4.810 9 kN,利用數(shù)字光彈性法[7]通過MATLAB編程[8],對彩色數(shù)字圖像進行處理,得到等差條紋中心線(見圖7),玻璃纖維/環(huán)氧復合材料的材料參數(shù)為EL=46 GPa,ET=11.4 GPa,νLT=0.33,νTL=0.09,GLT=5.3 GPa,貼片材料的應變條紋值 fε=345.7 cm?μ ε/級,在條紋骨架線上任選兩點,利用公式(7)計算出材〗料斷裂韌度

3 分析與結論

(1)通過對材料端口邊緣觀察可知斷裂后為平斷口,裂紋的擴展基本上是在平面應變狀態(tài)下進行的,而對裂尖的觀察可知材料沒有發(fā)生塑性變形,滿足了小范圍屈服的條件,因此可以獲得穩(wěn)定的斷裂韌度值。

圖7 光彈條紋骨架線Fig.7 Skeleton of photoelastic fringe

(2)從圖6可以看到,在裂紋開裂后,載荷P下降,之后又繼續(xù)增大,試件仍具有承載能力。同金屬材料的P-V曲線有所不同。材料在彎曲作用下,裂紋沿纖維方向開裂,并非沿原裂紋線方向開裂,纖維和基體的界面阻止裂紋擴展,此后的光彈圖像不再能正確反映裂尖附近的應力場。

(3)在三點彎曲實驗基礎上結合光彈貼片實驗,可以實測裂紋尖端附近應力場變化以及裂紋開裂臨界狀況,進而求出材料的斷裂韌度值,是一種直接有效的測試方法。對復合材料斷裂韌性的測試,少有文獻報道。本文側重實驗方法研究,其結果還有待大量實驗來驗證。

(4)試件的加工精度、加載裝置的調(diào)試以及數(shù)字圖像采集及處理方法是影響實驗精度的主要因素,尤其是在復合材料試件上預制尖銳裂紋有一定的難度。

[1]董雁瑾,楊海升.玻璃纖維增強復合材料的Ⅰ型層間斷裂韌性[J].材料研究學報,1999,13(4):147-152.

[2]常紅,李俊林.光彈法實測正交異性雙材料界面裂紋斷裂參數(shù)[J].力學與實踐,2008,30(6):56-60.

[3]鋼鐵研究總院.金屬力學及工藝性能試驗方法標準匯編[M].北京:中國標準出版社,2005.

[4]SIH G C,PAIRS P C,IRWIN G R.On cracks in rectilinearly anisotropic bodies[J].International Journal of Fracture,1965,1(3):189-203.

[5]楊維陽,張少琴.關于各向異性纖維復合材料板裂紋尖端應力場的探討[J].太原重型機械學院學報,2000,21(4):263-269.

[6]劉錫禮,王秉權.復合材料力學基礎[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1984.

[7]雷振坤,云大真.數(shù)字光彈性法綜述[J].實驗力學,2004,19(4):392-402.

[8]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.