纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料損傷失效試驗(yàn)研究①

杜 宇，楊 濤，戴維蓉，李志猛，牛雪娟

(1.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

0 引言

纖維鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展最快、最有效的復(fù)合材料自動(dòng)成型技術(shù)之一［1］。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗疲勞性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域［2－3］。傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板多采用纖維直線鋪放的制備方法。隨著纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)的不斷發(fā)展，利用先進(jìn)的自動(dòng)鋪放設(shè)備，使得復(fù)合材料層合板的層內(nèi)纖維角度發(fā)生連續(xù)的變化，帶有這種連續(xù)變化角度鋪層的復(fù)合材料被稱為變剛度復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比，變剛度復(fù)合材料的剛度是逐漸變化的，可避免應(yīng)力集中，并且可降低復(fù)合材料層合板的重量和成本。因此，其將成為未來復(fù)合材料發(fā)展的新趨勢(shì)。

當(dāng)前有多種不同的纖維曲線設(shè)計(jì)方法，Hyer等［4－5］最先提出用曲線代替直線鋪放，通過有限元法模擬設(shè)計(jì)纖維曲線的鋪放路徑。此種鋪放采用分段連續(xù)的鋪放方法，且相鄰單元的纖維鋪放角度的變化比較小，因此易于實(shí)現(xiàn)。Tatting Gürdal和 Jegley［6－8］利用先進(jìn)的鋪放設(shè)備制備出可承受最大屈曲載荷的變剛度復(fù)合材料。Jegley等［9］通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比證明了層合板在承受壓縮和剪切載荷的作用下，曲線纖維比直線纖維鋪放的層合板的失效性能提高60%。Blom等［10］運(yùn)用ABAQUS優(yōu)化了圓柱殼體在純彎曲作用下的最大屈曲載荷。國(guó)內(nèi)，馬永前等［11］用ABAQUS有限元軟件對(duì)纖維曲線鋪放的復(fù)合材料層合板進(jìn)行了建模計(jì)算，驗(yàn)證其面內(nèi)受力情況下，屈曲荷載顯著提高，幅度達(dá)14%左右。隨后，秦永利等［12］對(duì)纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料層合板的研究進(jìn)展進(jìn)行具體的介紹。

變剛度復(fù)合材料在某種載荷下表現(xiàn)出更加優(yōu)越的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外主要對(duì)變剛度復(fù)合材料進(jìn)行了有限元的模擬研究，缺少試驗(yàn)的驗(yàn)證。本文在這種纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料層合板的基礎(chǔ)上，根據(jù)纖維曲線鋪放的路徑制備出變剛度復(fù)合材料層合板，對(duì)其在拉伸和彎曲載荷下的損傷破壞過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了該復(fù)合材料層合板的損傷破壞演化過程。

1 變剛度復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)

變剛度復(fù)合材料層合板中每一層纖維的角度是連續(xù)變化的，利用連續(xù)的曲線纖維來設(shè)計(jì)變剛度復(fù)合材料層合板，每一層曲線纖維的參考路徑如圖1所示，纖維方向角度θ沿著參考幾何軸r呈線性變化。

纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料層合板的某一層表示方法為φ±〈T0/T1〉。其中φ為曲線鋪放的纖維參考坐標(biāo)軸r和x軸方向的夾角;T0為曲線鋪放的纖維在原點(diǎn)處和r軸方向的夾角;T1為曲線鋪放的纖維在距離參考坐標(biāo)系原點(diǎn)距離為d處和r軸方向的夾角。

曲線鋪放的纖維在任意一點(diǎn)和x軸方向的夾角隨參考坐標(biāo)軸r的變化關(guān)系式［13］為

2 試樣制備

試樣采用SK化工(青島)有限公司的TR50炭纖維預(yù)浸料制備，炭纖維的密度1.77 g/cm3，樹脂的密度1.2 g/cm3。復(fù)合材料層合板的鋪層數(shù)為16，每層厚度為 0.012 5 cm。

2.1 纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料層合板的制備

為研究纖維曲線鋪放與直線鋪放復(fù)合材料層合板在受到載荷時(shí)的對(duì)比效果，選取纖維曲線鋪放角度的變化區(qū)間與直線鋪放角度相似的鋪層順序。纖維曲線鋪放的復(fù)合材料層合板的鋪層順序分別為

根據(jù)圖2所示的變剛度復(fù)合材料層合板層內(nèi)鋪層角度的路徑，制備出3種纖維角度變化曲線的軌跡模型，將3 mm寬的炭纖維預(yù)浸帶按照纖維曲線的軌跡模型進(jìn)行鋪層，得到如圖3(a)所示的纖維曲線鋪層的復(fù)合材料構(gòu)件。

2.2 纖維直線鋪放的復(fù)合材料層合板的制備

纖維直線鋪放的復(fù)合材料層合板的鋪層順序分別為

將預(yù)浸帶按照上述鋪層順序進(jìn)行鋪層，圖3(b)所示為纖維直線鋪放的復(fù)合材料構(gòu)件。

2.3 復(fù)合固化

復(fù)合材料固化采用熱壓成型的方法，其主要包括加熱、壓實(shí)、冷卻和固化，其中溫度和壓力尤為重要。在東莞宏正AM-200全自動(dòng)熱壓、冷卻成型機(jī)上進(jìn)行固化成型，溫度設(shè)為135℃，壓力設(shè)定為100 kg/cm2。

3 試件形狀和尺寸及測(cè)試條件

本試驗(yàn)參照《纖維增強(qiáng)塑料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，均采用矩形試片，拉伸試樣的名義尺寸為:250 mm×25 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬×厚)(GB 1447—2005)，加載速度為2 mm/min，為保證試件在拉伸時(shí)端部不首先破壞，在試件兩端分別粘貼規(guī)格為50 mm×25 mm×2 mm的鋁制加強(qiáng)片;彎曲試樣的名義尺寸為:100 mm×15 mm×2 mm(長(zhǎng) ×寬 ×厚)(GB 1449—83)，加載速度為2 mm/min。

復(fù)合材料拉伸和彎曲性能試驗(yàn)在日本島津(SHIMADZU)的AG-100KNE型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測(cè)試在恒溫恒濕條件下進(jìn)行。

4 結(jié)果與分析

4.1 拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

圖4(a)、(b)為纖維直線鋪層復(fù)合材料試件Z1、Z2和纖維曲線鋪層復(fù)合材料試件Q1、Q2復(fù)合固化成型后在拉伸載荷條件下，測(cè)試試件典型的外加載荷與位移的曲線圖。外加載荷先隨位移的增大而增大，達(dá)到破壞載荷時(shí)，發(fā)生了基體脫粘和纖維斷裂，逐漸失去承載能力，外加載荷發(fā)生突降，逐漸減少。

圖5為4種鋪層順序的復(fù)合材料試件的拉伸極限載荷測(cè)試結(jié)果。其中，每一個(gè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)試件測(cè)試結(jié)果的平均值，如表1所示。與纖維直線鋪層試件Z1、Z2相比，纖維曲線鋪層試件Q1、Q2的拉伸極限載荷分別提高了49%、42%。根據(jù)試件的橫截面積和極限載荷計(jì)算出拉伸強(qiáng)度，如表1。

Z1和Q1試件的拉伸強(qiáng)度分別是290 MPa和434 MPa，提高了49%;Z2和Q2試件的拉伸強(qiáng)度分別是340 MPa和484 MPa，提高了42%。其主要原因是纖維曲線鋪層的復(fù)合材料每一層的纖維角度是連續(xù)變化的，在受到拉伸載荷時(shí)，其面內(nèi)的應(yīng)力分布相對(duì)于直線鋪層的復(fù)合材料進(jìn)行了重新分布，避免了應(yīng)力集中，使主要載荷轉(zhuǎn)移到剛度較高的區(qū)域，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。

表1 纖維直線鋪放和曲線鋪放的復(fù)合材料層合板拉伸極限載荷與拉伸強(qiáng)度Table 1 Ultimate load and strength of the laminated composite with curvilinear fiber

4.2 彎曲試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

圖6(a)、(b)為纖維直線鋪層復(fù)合材料試件Z1、Z2和纖維曲線鋪層復(fù)合材料試件Q1、Q2復(fù)合固化成型后在彎曲載荷條件下，測(cè)試試件典型外加載荷與撓度的曲線圖，表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷破壞積累過程。

圖7為4種鋪層順序的復(fù)合材料試件的極限載荷測(cè)試結(jié)果。其中，每個(gè)數(shù)據(jù)均是3個(gè)試件測(cè)試結(jié)果的平均值。與纖維直線鋪層試件Z1、Z2相比，纖維曲線鋪層試件Q1、Q2的彎曲極限載荷分別提高了28%、32%。根據(jù)試件的寬度、厚度、跨距和極限載荷計(jì)算出彎曲強(qiáng)度，如表2。Z1和Q1試件的彎曲強(qiáng)度分別是570.6 MPa和728 MPa，提高了 28%;Z2和 Q2試件的彎曲強(qiáng)度分別是 627.8 MPa 和 825.8 MPa，提高了32%。纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料的極限載荷有較大幅度的提高，說明復(fù)合材料層合板在承受彎曲載荷作用時(shí)，纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料層合板可有效的提高力學(xué)性能。

表2 纖維直線鋪放和曲線鋪放的復(fù)合材料層合板彎曲極限載荷與彎曲強(qiáng)度Table 2 Ultimate load and strength of the laminated composite with curvilinear fiber

5 破壞形貌

圖8(a)、(b)分別是纖維直線鋪放和曲線鋪放的復(fù)合材料試件在拉伸和彎曲失效后的斷口形貌照片。從圖8可看出，拉伸試件均發(fā)生了基體失效、纖維斷裂;彎曲試件均發(fā)生了層間脫層。纖維直線鋪放的試件比纖維曲線鋪放的試件破壞較為嚴(yán)重，主要是由于纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料試件的鋪層角度是連續(xù)變化的，因此剛度也是逐漸變化的，每層的剛度在不同的空間位置各不相同，避免應(yīng)力集中，使其結(jié)構(gòu)性能得到了顯著的提高，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)纖維曲線鋪放的變剛度復(fù)合材料層合板層內(nèi)鋪層角度的參考路徑制備出鋪層順序分別為［±45/±〈45/60〉2/±〈15/30〉］s 和［± 45/±〈15/30〉/±〈45/60〉/±〈30/45〉］s的變剛度復(fù)合材料層合板，該復(fù)合材料層合板在破壞前呈線彈性。

(2)通過對(duì)纖維直線和纖維曲線鋪層的復(fù)合材料層合板的拉伸和彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維直線鋪層試件Z1與曲線鋪層試件Q1的拉伸強(qiáng)度分別是290、434 MPa，提高了 49%，彎曲強(qiáng)度分別是 570.6、728 MPa，提高了28%;Z2與Q2試件的拉伸強(qiáng)度分別是340、484 MPa，提高了 42%，彎曲強(qiáng)度分別是 627.8、825.8 MPa，提高了32%。纖維曲線鋪層的復(fù)合材料層合板的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度得到了明顯提高。

(3)與纖維曲線鋪層的復(fù)合材料試件相比，纖維直線鋪層的復(fù)合材料試件的斷口破壞較為嚴(yán)重。由于變剛度復(fù)合材料層合板的層內(nèi)纖維取向是不斷變化的，導(dǎo)致剛度也逐漸變化，避免了應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)者可根據(jù)載荷的分布，對(duì)纖維曲線鋪放軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

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