復(fù)合材料在海水中力學(xué)性能變化的統(tǒng)計(jì)分析

王威力,田忠恩,鄭巖,羅世文,侯傳禮

摘要對(duì)復(fù)合材料單向纖維力學(xué)試件進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的海水浸泡試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)后復(fù)合材料試件的拉伸和彎曲性能，對(duì)力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行多種統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，2160 h內(nèi)，海水對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響不大，即復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值的離散程度不隨試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)增加而增加。由于力學(xué)性能數(shù)值的絕對(duì)值相對(duì)較大，數(shù)值擾動(dòng)對(duì)復(fù)合材料變異系數(shù)的影響較小，變異系數(shù)的置信度較高，與最大賦范殘差相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以正則化值為依據(jù)可靠性更高。

關(guān)鍵詞碳纖維；環(huán)氧樹脂；老化；統(tǒng)計(jì)

Statistical Analysis of Mechanical Properties Changes?of Composites in Seawater

WANG Weili，TIAN Zhongen，ZHENG Yan，LUO Shiwen，HOU Chuanli

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACTThe mechanical specimens of composites with unidirectional fibre were subjected to seawater immersion tests，then the tensile and flexural properties of the composite with different test time lengths were tested， and statistical analyses were performed on the test data of mechanical properties. The results showed that seawater did not give too much influence on the mechanical properties of the composites in 2160hs. the degree of dispersion in the numerical values of the composites mechanical properties did not increase when test time increased. Due to the relatively large absolute value of the mechanical property， the numerical perturbation has less effect on the coefficient of variation， and the confidence level of the coefficient of variation is high， which makes the structural design based on the regularised values more reliable compared to the maximum fugitive residuals.

KEYWORDScarbon fiber；epoxy resin；ageing；statistics

1引言

海洋經(jīng)濟(jì)是我國(guó)“十四五”發(fā)展規(guī)劃中的重要組成部分［1-3］。復(fù)合材料制品由于具備輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性好、生命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在海上能源開發(fā)、船舶制造、海洋工程修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用［4-6］。以柱管類海洋平臺(tái)組件為例，與傳統(tǒng)鋼材相比，復(fù)合材料柱管類海洋平臺(tái)組件在海洋環(huán)境中使用時(shí)，幾乎沒有腐蝕［7-8］。復(fù)材組件具備的優(yōu)良抗腐蝕性使其多年免維護(hù)，可節(jié)約大量的材料和人力消耗，節(jié)約70 %的維護(hù)費(fèi)用［9］。復(fù)合材料制品由于成型和加工方式的差異，其力學(xué)性能數(shù)值具有一定的離散性［10-12］。因此，需要考慮復(fù)合材料力學(xué)性能的離散性，以提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)［13-14］。尤其是在海水中直接浸泡使用的復(fù)合材料制品，海水會(huì)進(jìn)一步增加力學(xué)性能的離散程度［15］，因此，統(tǒng)計(jì)分析復(fù)合材料在海水中浸泡后力學(xué)性能變化數(shù)據(jù)，可為復(fù)合材料海洋制品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)，有利于復(fù)合材料制品未來在海洋工程領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)海水浸泡試驗(yàn)前后的碳纖維復(fù)合材料單向纖維板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，獲得海水浸泡試驗(yàn)后復(fù)合材料力學(xué)性能的離散變化情況。

2試件制作及試驗(yàn)

2.1原材料

碳纖維：SYT49S，中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司

環(huán)氧樹脂：雙酚A，中藍(lán)晨光化工有限公司

2.2試驗(yàn)板制備

采用濕法纏繞成型單向纖維板，厚度為2 mm，升溫固化后脫模。

2.3力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備：萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)INSTRON5582

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：拉伸性能試驗(yàn)按照《GB/T3354-2014定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，彎曲性能試驗(yàn)按照《GB_T 3356-2014 定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2.4加工和試驗(yàn)

將制備的復(fù)合材料樣板放置在室溫條件、鹽度3 %的海水試驗(yàn)箱中，間隔取樣，取樣周期720h，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)分別為0 h、720 h、1440 h和2160 h，浸泡試驗(yàn)后取出樣件烘干，加工至相應(yīng)要求的尺寸，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目為拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。不同浸泡時(shí)長(zhǎng)的力學(xué)試件，每組平行試樣數(shù)量為5個(gè)，外觀如圖1所示。

試件外觀光滑平整，樹脂與纖維浸潤(rùn)良好，無干紗、余膠等明顯缺陷，說明試件制備工藝較合理，試件的力學(xué)性能變化和離散情況適宜用于統(tǒng)計(jì)分析。

3統(tǒng)計(jì)方法

對(duì)海水浸泡試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)分別為0 h、720 h、1440 h和2160 h的試件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的測(cè)試，對(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，以期獲得不同試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)下，復(fù)合材料力學(xué)性能的變化情況，并獲得較可信的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為結(jié)構(gòu)計(jì)算提供依據(jù)。統(tǒng)計(jì)計(jì)算的項(xiàng)目包括數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)和樣本類型分析兩個(gè)部分。

3.1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)

（1）樣本均值

X=1n∑Xj（1）

其中，n為該組樣本數(shù)量，Xj為樣本實(shí)測(cè)數(shù)值。

（2）標(biāo)準(zhǔn)差

S=∑（Xi-X）2n-1（2）

其中，n為該組樣本數(shù)量，Xi為樣本實(shí)測(cè)數(shù)值，X為樣本均值。

（3）變異系數(shù)

Cv=sX（3）

其中，S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，X為樣本均值。

（4）極差

R=Xmax-Xmin（4）

其中，Xmax為該組樣本中數(shù)值的最大值，Xmin為該組樣本中數(shù)值的最小值。

上述統(tǒng)計(jì)可初步反應(yīng)復(fù)合材料力學(xué)性能的離散情況和置信度。

3.2樣本類型分析

為進(jìn)一步分析樣本類型，對(duì)樣本進(jìn)行了正則化值、最大賦范殘差M和Anderson-Daring批間變異檢查K，確定了樣本類型，計(jì)算方法如下。

（1）正則化值

Mz=Ms×CPTc/CPTz （5）

其中，Ms為樣本實(shí)測(cè)數(shù)值，CPTc為樣本厚度實(shí)測(cè)值，CPTz為樣本厚度計(jì)算值。

（2）最大賦范殘差

M=max|Xi-X|s（6）

其中，Xi為樣本實(shí)測(cè)數(shù)值，X為樣本均值，S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。最大賦范殘差常用于異常數(shù)據(jù)的檢查。

（3）Anderson-Daring批間變異檢查

K=n-1n2（k-1）∑ki=11ni∑Lj=1hi（nFij-niHj）2Hj（n-Hj）-nhj/4（7）

其中，n為該組樣本數(shù)量，k為數(shù)據(jù)組編號(hào)，hj為合并樣本中等于Zj的數(shù)值個(gè)數(shù)，Hj為合并樣本中小于Zj的數(shù)值個(gè)數(shù)+合并樣本中等于Zj的數(shù)值個(gè)數(shù)的一半，F(xiàn)ij為第i組中小于Zj的數(shù)值個(gè)數(shù)+第i組中等于Zj的數(shù)值個(gè)數(shù)的一半。

4統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)海水浸泡試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)分別為0 h、720 h、1440 h和2160 h的復(fù)合材料，測(cè)試?yán)煨阅芎蛷澢阅?，其中拉伸性能包括拉伸破壞載荷和拉伸強(qiáng)度，彎曲性能包括彎曲破壞載荷和彎曲強(qiáng)度，對(duì)上述各項(xiàng)力學(xué)性能的測(cè)試數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1～表4。

由表1～表4可見，隨著海水處理時(shí)間的增加，復(fù)合材料力學(xué)試件的拉伸、彎曲性能的強(qiáng)度和破壞載荷的均值、方差、變異系數(shù)和極差均沒有明顯增加或降低的趨勢(shì)。其中，拉伸、彎曲強(qiáng)度和破壞載荷的均值數(shù)據(jù)說明在2160 h的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，復(fù)合材料力學(xué)性能沒有明顯下降的趨勢(shì)，采用該種材料成型的產(chǎn)品在2160 h時(shí)間區(qū)間內(nèi)力學(xué)性能沒有下降，可安全使用。方差、變異系數(shù)和極差的數(shù)據(jù)說明海水對(duì)復(fù)合材料性能的影響較為隨機(jī)，從數(shù)據(jù)離散情況看，海水浸泡試驗(yàn)過程沒有明顯對(duì)復(fù)合材料的界面和微觀結(jié)構(gòu)造成破壞。

此外，極差、變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差共同表征離散程度，由于測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的絕對(duì)值相對(duì)較大，使得數(shù)值擾動(dòng)對(duì)極差和標(biāo)準(zhǔn)差的影響較大，而對(duì)變異系數(shù)的影響較小，因此，復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值中，變異系數(shù)的置信度較高。

2樣本類型分析結(jié)果

統(tǒng)計(jì)海水浸泡不同時(shí)長(zhǎng)后復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試值的正則化M和賦范差MNR，結(jié)果如表5和表6所示。

此外，以海水浸泡時(shí)長(zhǎng)相同的復(fù)合材料試件為一組，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值進(jìn)行了Anderson-Daring批間變異檢查，由式（7）計(jì)算得到K=106.65。

由正則化、賦范差和批間變異檢查等統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果可見，海水浸泡時(shí)長(zhǎng)不同的復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試值，σt和σb均值大于正則化的最小值，且小于正則化的最大值。σt正則化值差別不大，說明在2160 h的處理時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，復(fù)合材料的許用值沒有發(fā)生變化，在此期間內(nèi)，復(fù)合材料使用時(shí)的安全系數(shù)不會(huì)發(fā)生變化。σt的正則化值由一定量變化，考量復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)以正則化較低的數(shù)值為依據(jù)，保證復(fù)合材料使用的安全性。

與復(fù)合材料的離散值相比，賦范差數(shù)值控制范圍過小，不適于以此為據(jù)直接對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制，實(shí)際操作中可設(shè)定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于正則化最小值。

海水浸泡時(shí)長(zhǎng)不同的復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試值的Anderson-Daring批間變異檢查K值的數(shù)值較大，說明樣本母體間差異較大，復(fù)合材料在海水處理后力學(xué)性能的測(cè)試數(shù)值組為非結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)。

5結(jié)語

本文將復(fù)合材料試件放置在海水環(huán)境中，對(duì)不同浸泡時(shí)長(zhǎng)試件的力學(xué)性能數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)論如下：

（1）2160 h內(nèi)，海水對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響不大，復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值的離散程度不隨試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)增加而增加。

（2）力學(xué)性能數(shù)值擾動(dòng)對(duì)復(fù)合材料變異系數(shù)的影響較小，變異系數(shù)的置信度較高。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以正則化值為依據(jù)。

本研究中試驗(yàn)時(shí)間較短，且平行樣本數(shù)量較少，后期可開展更長(zhǎng)時(shí)間周期的海水浸泡試驗(yàn)，同時(shí)增加平行樣本數(shù)量，以期獲得更具廣泛性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

參 考 文 獻(xiàn)

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