縫紉復(fù)合材料層合板力學(xué)性能研究

馬元春

（中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

縫紉復(fù)合材料層合板力學(xué)性能研究

馬元春

（中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

縫紉作為一種有效的復(fù)合材料層間增強(qiáng)方式，已經(jīng)被應(yīng)用于工程中。文獻(xiàn)[1]提出了測(cè)量縫紉單層板的工程常數(shù)，然后利用層合板理論來計(jì)算縫紉板力學(xué)性能的工程應(yīng)用理論（以下簡(jiǎn)稱“工程應(yīng)用理論”）；文獻(xiàn)[2]更是將這一假設(shè)應(yīng)用到縫紉泡沫夾層板的計(jì)算當(dāng)中。以縫紉復(fù)合材料層合板為研究對(duì)象，討論了不同厚度、鋪層比例對(duì)其力學(xué)性能的影響，驗(yàn)證縫紉復(fù)合材料層合板工程應(yīng)用理論，為結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

縫紉；復(fù)合材料；工程理論；力學(xué)性能

本文將通過試驗(yàn)驗(yàn)證這種工程應(yīng)用理論，同時(shí)研究鋪層比例、試件厚度變化對(duì)縫紉件力學(xué)性能的影響。

1 理論分析

1.1 剛度分析

對(duì)于層合板來說，其合力和合力矩用矩陣可以表達(dá)為：

式（1）中：ε0為層合板中面應(yīng)變列陣；k為層合板曲率列陣。對(duì)于只受面內(nèi)力作用的層合板，式（1）可以簡(jiǎn)化為：

由式（3）可以得出應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式：

對(duì)于對(duì)稱層合板來說，若鋪層角度相同，各鋪層角度所占的鋪層比例也相同，則不管板的厚度如何變化，將是常數(shù)，因此由式（4）（5）可知，工程常數(shù)Ex，Ey，vxy，Gxy也將不隨板厚變化。若縫紉板的工程應(yīng)用理論成立，其剛度和工程常數(shù)必然得符合這一規(guī)律。

1.2 強(qiáng)度分析

由1.1分析和公式（3）可知，若對(duì)稱層合板的鋪層角度相同，各鋪層角度所占的鋪層比例也相同，則不管板的厚度如何變化，強(qiáng)度σx，σy，τxy將不隨板厚變化。若縫紉板的工程應(yīng)用理論成立，其強(qiáng)度也必然得符合這一規(guī)律。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件

本文所研究的復(fù)合材料體系為T300/QY9512國產(chǎn)復(fù)合材料體系，采用RFI方法成型?？p合方法為通厚縫合，縫紉線為400旦（Denier）Kevlar29纖維，平行于鋪層0°方向縫合，縫紉針距3mm，行距5mm。試件全部采用對(duì)稱均衡鋪層，具體試驗(yàn)類型、試驗(yàn)數(shù)量、試件狀態(tài)和鋪層比例見表1.鋪層比例是指組成試件的0°、±45°、90°鋪層所占的百分比。

表1 試樣類型及鋪層方式

2.2 試驗(yàn)過程

所有力學(xué)性能試驗(yàn)均在INSTRON1195萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)類型為拉伸、壓縮、面內(nèi)剪切和層間剪切。根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)采用位移控制方式進(jìn)行加載，直至試驗(yàn)件破壞。應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集使用WJ-2型電阻應(yīng)變儀。試驗(yàn)環(huán)境溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（50±5）%.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2、表3可以看出，對(duì)于A類鋪層試件，其拉伸強(qiáng)度、面內(nèi)剪切強(qiáng)度、面內(nèi)剪切模量隨厚度的增加而增加，而拉伸模量、泊松比、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、層間剪切強(qiáng)度隨厚度的增加先增加后降低；對(duì)于B類鋪層試件，除泊松比外，其余測(cè)得的力學(xué)性能值均隨厚度的增加而增加。

*偏差百分比

表2 A類試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)于A，B兩類鋪層試件，厚度變化對(duì)力學(xué)性能都有較大的影響。除個(gè)別值（A類鋪層試件的拉伸模量）外，厚度變化引起的力學(xué)性能偏差百分比均大于等于10%.其中，A類鋪層試件的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和面內(nèi)剪切模量的偏差百分比分別達(dá)到了20.7%，40.0%，33.1%；而B類鋪層試件的泊松比、壓縮模量和層間剪切強(qiáng)度的偏差百分比分別達(dá)到了42.1%，28.5%，25.7%.

針對(duì)拉伸和壓縮2種測(cè)試方法，研究鋪層角度及比例變化對(duì)其力學(xué)性能的影響。A類鋪層0°、±45°、90°的鋪層比例為35%，55%，10%，B類鋪層0°、±45°、90°的鋪層比例為45%，45%，10%，等厚度情況下，B類鋪層試件的拉伸強(qiáng)度均比A類鋪層試件高100MPa左右，而拉伸模量均高10GPa左右。由此可知，拉伸力學(xué)性能主要由0°鋪層所決定，0°鋪層比例越高，拉伸力學(xué)性能越好。

表3 B類試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

在厚度為3.2mm時(shí)，B類鋪層試件的壓縮強(qiáng)度比A類鋪層試件高177.55MPa，而當(dāng)厚度為6.4mm時(shí)，B類鋪層試件的壓縮強(qiáng)度卻比A類鋪層試件低10.92MPa。在厚度為3.2mm時(shí)，B類鋪層試件的壓縮模量比A類鋪層試件高出3.61GPa，當(dāng)厚度為9.6mm時(shí)，B類鋪層試件的壓縮模量卻比A類鋪層試件高15.15GPa。由此可知，壓縮力學(xué)性能并不完全由0°鋪層所決定，它是一個(gè)綜合作用的結(jié)果。

3 驗(yàn)證工程假設(shè)理論的適用性

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為縫紉復(fù)合材料制件的泊松比不滿足層合板的轉(zhuǎn)軸關(guān)系，即不滿足層合板理論。從本文前面的理論分析和第2節(jié)所述，包括泊松比在內(nèi)，縫紉復(fù)合材料制件的大部分力學(xué)性能值均隨試件厚度變化，而且有些變化非常顯著，比如泊松比、壓縮模量、面內(nèi)剪切模量等。如果采用工程假設(shè)理論來計(jì)算這些力學(xué)性能，將帶來一定的偏差，因此，若采用工程假設(shè)理論，必須作相應(yīng)的修正。

4 結(jié)論

鋪層角度、鋪層比例、試件厚度變化對(duì)縫紉復(fù)合材料制件的力學(xué)性能均有影響，對(duì)其中一些性能值影響較大。對(duì)于縫紉復(fù)合材料制件的一些力學(xué)性能來說，使用層合板的工程應(yīng)用理論需進(jìn)行修正。

［1］孟凡顥.用DPS模型預(yù)測(cè)縫合復(fù)合材料彈性常數(shù)［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2004（3）：17-20.

［2］黃濤，矯桂瓊.縫紉夾層泡沫復(fù)合材料剛度特性的研究［C］//全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議，2004.

［3］程小全，趙龍，張怡寧.縫合復(fù)合材料可用性——簡(jiǎn)單層合板的基本性能［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29（11）：1001-1005.

〔編輯：劉曉芳〕

TB332

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.077

2095－6835（2017）17－0077－02

馬元春（1973—），男，高工，研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度。