玻纖復合材料厚板三維完整本構性能表征試驗技術

左艷輝，劉 劉

(1.海裝武漢局駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330000；2.北京理工大學宇航學院，北京 100081)

0 引言

厚截面復合材料層板為幾何效應(厚度-跨距比)、材料組分(基體和纖維剛度/強度性能)、鋪層組合和服役工況等因素誘發(fā)三維承載的復合材料層合板結構。其典型特征為橫向(厚度方向)具有高于纖維縱向的柔度，載荷作用下通常存在顯著的橫向剪切和正變形。橫向的顯著應力應變效應將導致結構產(chǎn)生分層失效、過量偏移或振動等有害效應?，F(xiàn)有復合材料薄層板常用的面內二維應力應變分析方法和失效準則對厚截面復合材料層板結構的適用性不強，必須開展三維應力-應變本構關系表征試驗技術研究，以實現(xiàn)厚截面復合材料層板結構設計和分析時納入包含橫向大變形下的非線性應力-應變響應等完整三維本構關系參數(shù)。

1 旋翼玻纖復合材料厚板結構特點

厚截面復合材料層板在航空領域的需求越來越大，以CH-53K重型直升機無軸承旋翼柔性梁為例，最厚處達76mm，總計737層，承受彎曲力矩等面外載荷，設計上屬于橫向大載荷、大變形的復合材料部件，如圖1所示。

圖1 CH-53K尾槳柔性梁關鍵結構[2]

無軸承旋翼在保留直升機較好的低空飛行操縱性能和懸停性能的前提下，采用柔性梁彈性大變形和強耦合運動理念取代傳統(tǒng)鉸接式旋翼中的揮舞、擺振及變距鉸，可以大大降低旋翼系統(tǒng)復雜度。但對所用材料的許用應變要求很高，一般選用許用應變相對較大的高強玻纖復合材料單向帶制備，以承受離心力載荷和部分的揮舞、擺振和扭轉彎矩。

目前國內直升機復合材料結構設計中，力學性能的表征與測試往往局限于面內性能，很少考慮厚度方向的力學性能，也不考慮復合材料的剪切非線性。柔性梁作為復合材料厚截面典型層板結構，在整體扭轉剛度測試中，發(fā)現(xiàn)其10°以下的正扭轉和反扭轉曲線基本吻合，超過10°后正扭轉和反扭轉的曲線相差變大(見圖2)，說明扭轉大變形下，其扭轉剛度呈現(xiàn)非線性。主要起因為現(xiàn)有復合材料力學性能測試標準無法有效表征剪切模量的非線性變化，工程實際計算柔性梁扭轉剛度時采用線性分析，沒有考慮幾何大變形下剪切模量的非線性退化，從而影響到柔性梁氣動載荷計算的精度。

圖2 扭轉角度與扭矩的關系圖(遲滯回線)[3]

因此對復合材料三維力學性能的精確表征和快速測量，特別是以樹脂基體主導的非線性剪切應力-應變關系及其層間力學性能的測量與評價方法提出了迫切需求，以實現(xiàn)包含非線性在內的真實完整材料應力應變響應行為對現(xiàn)有假定層間力學行為的取代。

2 DIC技術輔助的短梁剪切試驗方法規(guī)范化

目前國內直升機工業(yè)屆復合材料應力-應變本構關系表征方法均基于電阻應變計測量值，因應變計測量計量區(qū)域內的一個平均“點”應變。這種測量將施加相關約束于試樣設計，存在不少問題。例如，V-切口梁應變計測量帶來的高試樣成本：為放置應變計需要至少19mm厚度的層壓板機加試樣，并且應施加幾何尺寸緊密公差以降低計量區(qū)域應變離散性?，F(xiàn)有的層間拉伸強度的測試方法存在不可避免的缺陷，具有數(shù)據(jù)分散性大以及無法保證預期失效模式等問題。綜上可知，基于接觸式變形測試和應力理論解的傳統(tǒng)測試方法，已經(jīng)無法解決復合材料層間剪切和層間拉伸力學性能參數(shù)的準確測量。

近年來隨著圖像特征識別技術和分析處理軟件的快速發(fā)展，DIC技術在力學試驗輔助位移測量中得到了廣泛應用。該技術是一種非-接觸測量方法，以像素形式獲取目標圖像，對圖像進行分析獲取傳感面運動轉換成目標的“全場”形狀、變形和運動測量。通常將圖像劃分為子區(qū)域并在未變形和變形圖像間匹配上述區(qū)域獲取全場變形測量值，逐步拓展到材料性能表征領域。該技術的主要優(yōu)勢為相比傳統(tǒng)應變計可使應力-應變關系評估得到附加柔性，可評估包括強梯度在內的復雜應變分布，從現(xiàn)有的由單一材料性能試驗判定唯一應力-應變本構關系參數(shù)的試驗原理轉變?yōu)樵趩我辉囼炛袦y量多個應力-應變本構關系參數(shù)。

為形成工程應用可推廣的DIC技術輔助短梁剪切試驗方法，實現(xiàn)纖維增強樹脂基復合材料完整三維本構性能參數(shù)的快速獲取，本節(jié)針對性地開展了試驗設置、DIC技術應用及力學性能參數(shù)識別等方面的規(guī)范化研究，以固化試樣尺寸及公差、試驗對中裝置、試樣表面散斑制備工藝、VIC-3D軟件相關窗、步長及平滑因子等相關參數(shù)，使其具有普適性，獲取層間剪切應力工程上可用的閉合形式方程表達式。通過對試驗參數(shù)的約束細化研究，保證試驗結果的精確度和可重復性，實現(xiàn)DIC輔助的短梁剪切試驗方法規(guī)范化。

2.1 試驗設置參數(shù)規(guī)范化

2.1.1 試驗夾具規(guī)范化

基于ASTM D 2344短梁剪切試驗標準中推薦的Wyoming試驗夾具開展設計改進，在標準試驗夾具中安裝輔助對中裝置，確保試驗載荷施加時的對稱度，并起到快速調整跨距的功能。首先通過安裝孔位將對中裝置組裝在上壓頭處，調整下方支撐直到和對中裝置之間沒有間隙，通過固定螺絲固定好支撐塊的位置。在調整完成上下支撐的位置后，取下對中裝置，即可保證施加載荷的對稱性，如圖3所示。采用對中裝置能夠有效地保證試驗的可重復性和穩(wěn)定性，操作簡單，且易于安裝和拆卸。

圖3 試驗夾具規(guī)范化研究成果

2.1.2 試驗壓頭和支撐柱規(guī)范化

為避免短梁剪切試樣因壓頭和支撐柱尺寸誘發(fā)壓縮失效等非既定失效模式，將壓頭直徑從現(xiàn)有ASTM D 2344中推薦的6.4mm增加為100mm。支撐柱直徑及支撐柱體之間的距離(跨距)與ASTM D 2344標準中推薦的尺寸保持一致，分別為3.2mm及跨距厚度比5：1。玻纖復合材料試樣厚度為6.4mm，因此玻纖復合材料試樣跨距為32mm，可確保玻纖復合材料試樣產(chǎn)生既定剪切失效模式，如圖4a所示。值得注意的是，在沿2-3面的加載中，由于試樣在低載荷水平下產(chǎn)生由基體主導的拉伸失效，如圖4b所示，無法表征2-3面高應變水平下的剪切應力-應變響應。

圖4 短梁剪切試樣既定失效破壞模式示意

2.1.3 試樣尺寸規(guī)范化研究

為實現(xiàn)試樣遠離支撐柱位置分布的均勻應變，寬厚比從ASTM D 2344推薦的2：1降低為1：1，長厚比從ASTM D 2344推薦的6：1增加為7：1。為在試樣制備合格率(工程應用可行性)和試驗結果準確度之間取得平衡，開展了短梁剪切試樣不同尺寸公差對試驗結果的影響效應分析。最終確定厚度和寬度尺寸公差為±0.05mm，寬度方向0.08mm的平行度，厚度與寬度方向0.08mm的垂直度。規(guī)范化后的玻纖復合材料SBS試樣尺寸和公差設計如圖5所示。

圖5 波纖復合材料短梁剪切試樣規(guī)范化設計圖

2.1.4 試樣表面散斑制備工藝規(guī)范化研究

為獲取試樣表面具較高對比度且均勻分散的隨機散斑，推薦表面散斑制備工藝流程和參數(shù)如下：首先在試樣表面使用噴筆將白色亞光水性漆噴涂一薄層厚度(約 20μm)均勻的亞光白色漆面；然后將亞光黑色水性漆與清水按照4：1比例進行混合調制，將調制液使用同一噴嘴口徑(0.2mm)的噴筆結合壓力泵(壓力0.1MPa)，在距離試樣表面30～50mm處，通過霧化作用在試樣白色薄底漆表面形成亞光黑色隨機散斑。制備獲取的試樣表面散斑如圖6所示。

圖6 試樣表面散斑

2.2 DIC技術應用參數(shù)規(guī)范化

2.2.1 DIC設備參數(shù)推薦

DIC設備由雙目相機系統(tǒng)、鏡頭、光源和三腳架共同組成，其中相機分辨率推薦為4096×3000piexl，雙目鏡頭焦距50mm，光圈范圍推薦為F/2.8～22。DIC輔助SBS試驗采用位移加載形式，加載速度為1.0 mm/min。試驗過程中光圈值依據(jù)試驗室光照強度進行設定：光線較強時光圈值為F2.8，光線較弱時光圈值為F3.5。鏡頭的變焦倍數(shù)為1。試驗中鏡頭與試樣表面之間距離為450 mm。試驗變形數(shù)據(jù)采樣頻率為1Hz，即每隔1s獲得一張圖像。采集每一張圖像時同時記錄試驗載荷大小直至試驗結束，同步獲得試驗加載歷程。具體試驗設備設置如圖7所示。

圖7 DIC輔助SBS試驗設備示意

2.2.2 試樣表面變形場識別參數(shù)規(guī)范化研究

為實現(xiàn)試樣表面DIC應變在計算精度和計算效率之間取得最佳折衷平衡，確保剪切峰值應變沒有因位移或應變的過渡平滑而產(chǎn)生明顯變化，開展試樣表面變形場識別三個主要參數(shù)(相關窗、步長和平滑因子)對試樣表面應變計算精度和計算效應的影響研究。明確選取的相關窗尺寸為29×29pixel，相當于0.34mm，步長為7 pixel，平滑因子為15pixel，每張圖像在ROI區(qū)域內共得到12725個應變數(shù)據(jù)?；谏鲜鲎R別參數(shù)獲取的玻纖復合材料短梁剪切試樣應變場如圖8所示。

圖8 短梁剪切試樣表面應變場

現(xiàn)有基于DIC技術的力學參數(shù)識別過程簡述如下：以有限元計算應變和試樣DIC實測應變的方差建立目標函數(shù)，采用有限元模型修正方法通過迭代計算識別多個本構參數(shù)。該方法為保證應力計算精度，需要構建短梁剪切試驗三維高仿真度有限元模型并展開復雜的迭代計算。本論文中推導了可同時保證應力計算精度和計算效率的復合材料厚板工程可用的剪切應力閉合-形式方程：

τ

=

(1)

式中，

A

為試樣受載面面積，

p

為試樣近失效時的受載面載荷，

s/t

為試樣跨厚比，

τ

為試樣線性剪切失效和非線性剪切失效應變臨界點處對應的剪切應力。針對AC318環(huán)氧/SC高強玻璃纖維復合材料，該值為

τ

=46.8 MPa。

3 基于短梁剪切試驗方法的玻纖復材性能表征

基于上一章節(jié)中提出的DIC輔助SBS試驗方法，開展AC318環(huán)氧/SC高強玻璃纖維復合材料三維力學性能表征。

3.1 1-2主平面本構行為表征

對比分析由DIC技術輔助SBS試驗及ASTM標準拉伸、壓縮、面內剪切和V-缺口剪切方法獲取的復合材料1-2主平面本構參數(shù)，如表1所示。

由表1可知：一方面DIC技術輔助的SBS試驗方案可行，有效性得到了充分驗證，且其多次重復試驗數(shù)據(jù)一致性高，試驗結果可靠；另一方面DIC技術輔助的SBS試驗方案采用單次試驗可同時識別材料多個力學參數(shù)，實現(xiàn)對拉伸、壓縮和剪切3種類型試驗的取代。

表1 不同試驗方法識別的復合材料本構性能對比

3.2 1-3主平面本構行為表征

DIC技術輔助SBS試驗方法獲取的1-3主平面縱向拉伸/壓縮模量的有效性已在上一小節(jié)中驗證。本節(jié)主要開展DIC技術輔助SBS試驗及ASTM標準V-缺口剪切試驗方法獲取的層間剪切本構的對比分析，如表2所示。由表2可知：SBS試驗與V-缺口梁試驗獲得的剪切應力-應變關系曲線重合度較佳；并且相較于V-缺口梁剪切試驗，SBS試驗獲得的剪切行為更加完整，極限應力和應變水平更高。表明SBS試驗中的剪切失效受復雜應力狀態(tài)影響小，為純剪切失效，因此得到的復合材料剪切強度更為可靠。

表2 不同方法材料沿厚度方向本構性能結果

3.3 2-3主平面本構行為表征

由圖4可知，DIC技術輔助的SBS試驗方法中，2-3主平面加載時提前拉伸失效，因此無法有效表征2-3主平面的真實面內剪切應力-應變響應本構關系。同時，獲取厚度方向的層間拉伸模量

E

33由ASTM D 6415《纖維增強聚合物基復合材料曲線梁強度測量標準試驗方法》獲取。該試驗方法所用試驗件的外形復雜，較難有效制備，不在本論文的研究范圍之內。因此本節(jié)中主要對比分析DIC技術輔助SBS試驗與ASTM標準拉伸、壓縮試驗獲取的縱向拉伸/壓縮模量(

E

22、

E

33)，具體如表3所示。由表3可知，雖然

E

22(GPa)的偏差較大，但基于工程界“基于低應變幅值下玻纖復合材料拉壓模量一致的普遍共識，本論文中暫不考慮AC318環(huán)氧/SC高強玻璃纖維復合材料厚板拉伸和壓縮模量之間的差異，取兩者之間的平均值獲取該材料的平均彈性模量。據(jù)此，兩種試驗方法所獲取的平均彈性模型

E

偏差僅為3.13%。因此，對比結果充分驗證了DIC技術輔助的SBS試驗方案可行、有效。

表3 不同試驗方法獲取的復合材料本構性能對比

4 結論

本論文針對直升機旋翼厚截面復合材料典型層板結構設計、試驗和分析缺失的面外力學性能問題，采用基于DIC技術的短梁剪切試驗方法，開展了復合材料單向板本構行為表征試驗規(guī)范化研究；進行了工程實際中玻璃纖維增強聚合物基復合材料厚層板結構三維力學性能參數(shù)的準確快速測量；形成了一種可在簡單單一試樣中實現(xiàn)復合材料眾多本構關系同步評估的標準試驗方法。