復(fù)合材料偏心壓縮快速評(píng)估方法

王秋宇 湯家力

復(fù)合材料偏心壓縮快速評(píng)估方法

王秋宇 湯家力

本文通過(guò)線性擬合的方法對(duì)不同鋪層復(fù)合材料試驗(yàn)件在不同偏心距下的壓縮試驗(yàn)件結(jié)果進(jìn)行處理，得到偏心壓縮時(shí)壓縮和彎曲耦合關(guān)系對(duì)破壞載荷的影響，然后結(jié)合對(duì)心壓縮試驗(yàn)結(jié)果擬合壓縮與彎曲影響關(guān)系曲線，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)偏心壓縮的工程快速評(píng)估提供了方法。

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料由于其突出的性能而廣泛用于航空航天、機(jī)械、能源和交通等領(lǐng)域，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析評(píng)估方法也日新月異，復(fù)合材料在工程中的大量應(yīng)用也對(duì)工程快速評(píng)估方法提出了需求。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)受到壓縮和彎曲載荷的聯(lián)合作用，即偏心壓縮的情況，在不同彎、壓載荷作用下，復(fù)合材料層壓板的失效模式會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效。因此有必要通過(guò)試驗(yàn)研究不同壓縮彎曲載荷作用下復(fù)合材料層壓板的失效規(guī)律。本文通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)復(fù)合材料偏心壓縮的快速工程評(píng)估方法，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持。

試驗(yàn)概述

試驗(yàn)件及試驗(yàn)介紹

復(fù)合材料偏心壓縮試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的專用夾具對(duì)三個(gè)爐批次、四種不同鋪層形式、厚度均為t的矩形板試件進(jìn)行了四個(gè)偏心位置（0，t/6，t/4，t/2）的室溫單軸壓縮試驗(yàn)。每種試驗(yàn)共6件試驗(yàn)件，試驗(yàn)件合計(jì)288件（3×4×4×6=288）。試驗(yàn)夾具如圖1所示。

試驗(yàn)件采用名義尺寸為125mm（長(zhǎng)）×25mm（寬）×5mm（厚）的矩形板條，試驗(yàn)件材料為CYCOM977－2－35－12K－HTS－268；針對(duì)不同的偏心距情況，在試驗(yàn)件的夾持和加載端采用玻璃纖維織物/樹(shù)脂加強(qiáng)片膠接的方式進(jìn)行局部加強(qiáng)，加強(qiáng)片材料為MXB7701/7781玻璃纖維織物環(huán)氧預(yù)浸料。

試驗(yàn)件共有4種典型鋪層，具體鋪層形式如表1所示。

表1 試驗(yàn)件鋪層形式

試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

通過(guò)專用夾具對(duì)試驗(yàn)件實(shí)施不同偏心距條件下的單軸偏心壓縮，測(cè)定其力學(xué)行為（應(yīng)力－應(yīng)變曲線）和極限載荷。如圖2所示為四種偏心距情況下試驗(yàn)件最終破壞情況。

圖1 試驗(yàn)夾具原理圖和實(shí)物照片

圖2 4種偏心距試驗(yàn)典型破壞情況

圖3 加載原理圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

壓縮、彎曲應(yīng)變計(jì)算

試驗(yàn)加載時(shí)通過(guò)試驗(yàn)夾具保證的載荷中線與試驗(yàn)件形心中性面之間的距離定義為名義偏心距。通過(guò)分析可知，偏心加載可以看成對(duì)心壓縮和端部彎矩的疊加作用，如圖3所示為偏心加載的原理圖。

從圖中可以看出，試驗(yàn)件兩側(cè)表面應(yīng)變值為壓縮與彎矩相互作用結(jié)果，因此根據(jù)“背靠背”應(yīng)變片的應(yīng)變值可以計(jì)算出兩者單獨(dú)作用的應(yīng)變?chǔ)臚和εM。其中εmin和εmax分別為試驗(yàn)件 “背靠背”應(yīng)變片的應(yīng)變值：

壓彎耦合作用分析

為分析壓縮和彎矩之間的作用關(guān)系并總結(jié)失效規(guī)律，繪制各個(gè)鋪層情況下試驗(yàn)件由壓縮引起的應(yīng)變和彎曲引起的關(guān)系圖，然后采用線性擬合得到兩種應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，同時(shí)擬合數(shù)據(jù)分布帶的下限，結(jié)果如圖4所示，各鋪層擬合結(jié)果如表2所示，其中應(yīng)變?yōu)榻^對(duì)值。

表2 各鋪層應(yīng)變關(guān)系擬合結(jié)果

分析擬合結(jié)果可以看出，試驗(yàn)件破壞受到最大應(yīng)變（εmax=εF+εM）影響，而分布下限則受到分散性影響，差別比較大。最大應(yīng)變則受層合板最外層強(qiáng)度影響，工程中難以進(jìn)行快速評(píng)估。

偏心壓縮的工程評(píng)估

為尋找工程適用的快速評(píng)估方法，分析各鋪層情況下對(duì)心壓縮試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為對(duì)心壓縮試驗(yàn)件破壞時(shí)的εF平均值為此類試驗(yàn)件純壓縮的破壞應(yīng)變?chǔ)?，計(jì)算得到各鋪層情況ε0結(jié)果如表3。

圖4 各鋪層試驗(yàn)件壓縮、彎曲應(yīng)變關(guān)系

圖5 各鋪層試驗(yàn)件壓縮、彎曲應(yīng)變關(guān)系擬合（2）

表3 各鋪層壓縮破壞應(yīng)變?chǔ)?

對(duì)各鋪層的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行再次擬合，擬合公式為εF+a·εM=ε0。各鋪層的擬合情況如圖5所示，擬合結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各鋪層應(yīng)變關(guān)系擬合結(jié)果

從擬合結(jié)果可以看出，εM所占比例均比εF小，且除鋪層4以外，其他三種鋪層擬合參數(shù)a在0.65－0.73之間。工程評(píng)估時(shí)可以根據(jù)層合板對(duì)心壓縮數(shù)據(jù)與擬合參數(shù)a快速評(píng)估復(fù)合材料偏心壓縮的失效載荷。

結(jié)語(yǔ)

（1）復(fù)合材料偏心壓縮時(shí)，主要受外表面單層壓縮強(qiáng)度的影響；

（2）根據(jù)對(duì)心壓縮結(jié)果擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，疊加時(shí)εM對(duì)破壞影響小于εF，除[±45]的均衡鋪層以外，其他三種鋪層εM與εF影響比例a在0.65～0.73之間。

王秋宇 湯家力

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

王秋宇，男，助理工程師，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，主要方向?yàn)轱w機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.048