夾心復合材料的彎曲性能測試

時間：2020-07-29

夾芯復合材料由薄的復合材料面板與相對較厚、低密度的芯部粘合而成。使用芯部將兩個剛性和強大的復合材料面板分離，可產(chǎn)生特別適合彎曲荷載的復合夾層結(jié)構。在這種載荷下，面板承受與彎曲相關的拉伸應力和壓縮應力，而中心芯部主要承受剪切應力。因此，夾芯復合材料在彎曲載荷下會發(fā)生面板或芯部破壞，并且已經(jīng)開發(fā)出測試方法來評估這兩種類型的失效。這兩種撓曲試驗的主要區(qū)別在于夾層梁試件的支撐跨度長度、長梁與短梁以及荷載配置、四點荷載與三點荷載。

為了在復合材料夾層梁試樣中產(chǎn)生面板破壞，從而確定面板極限強度，圖1a中使用了相對較長的跨度長度和四點加載配置。按照ASTM D72491《夾層復合材料長梁彎曲試驗方法》規(guī)定，標準試樣為76毫米寬、600毫米長。560毫米支撐跨距與相對較短的100毫米加載跨距長度相結(jié)合*為標準加載配置。這種結(jié)構旨在較大限度地提高面板中的彎曲應力，同時盡量減少芯部的剪應力。然而，僅當ASTM標準中提供的試樣設計方程表明將產(chǎn)生面板失效時，才使用該標準配置。否則，需要改變支撐和荷載跨度長度，以達到預期的面板破壞。此外，ASTM D7249為試樣設計提供了一條有用的經(jīng)驗法則：支撐跨距長度應至少大于夾層厚度的20倍。另一個問題是在荷載引入點發(fā)生的局部面板損壞或芯部壓碎。為了解決這一問題，ASTM試驗方法規(guī)定使用25毫米寬的旋轉(zhuǎn)加載平面，以幫助將力分布到較大的區(qū)域。此外，建議在鋼質(zhì)平板上使用3毫米厚的橡膠壓力墊，以進一步降低應力集中。

為了在彎曲荷載下產(chǎn)生復合夾層梁試件的芯部破壞，使用了相對較短的跨長和三點荷載配置。ASTM C3932夾層復合材料短梁彎曲試驗方法，規(guī)定了76毫米寬、200毫米長的標準試樣。相對較短的150毫米支撐跨度，加上單一的中心加載點，使面板中的彎曲應力較小化，并產(chǎn)生芯部剪切破壞。在長梁彎曲試驗中規(guī)定的相同的旋轉(zhuǎn)加載平臺和橡膠壓力墊用于防止加載點處的失效。事實上，用于進行長梁彎曲試驗的相同可調(diào)試驗夾具可用于通過將一個加載頭放置在中點并移除另一個加載頭來執(zhí)行短梁彎曲試驗。與長梁彎曲試驗類似，ASTM C393提供了用于在面板破壞和中心加載點處的局部芯部壓縮破壞之前產(chǎn)生芯部剪切破壞的試樣設計方程。注意，芯部剪切和芯-面板粘結(jié)失效都被認為是可接受的失效模式。

閱讀ASTM C393的人還可能注意到，即使它們不推薦用于短梁彎曲試驗，以確定芯部的剪切極限強度，但四點加載配置仍包括在試驗方法中。原因是什么？在2006年之前，ASTM C393是夾層復合材料一的彎曲試驗方法。因此，該標準的早期版本包括短梁和長梁夾層試樣以及三點和四點荷載。此外，還對試樣設計和試驗配置提供了較低限度的指導，以產(chǎn)生所需的失效模式。2006年，當ASTM D7249標準化用于長梁彎曲試驗時，ASTM C393被改寫為只關注短梁彎曲試驗。然而，標準中保留了四點加載配置，以便與本試驗方法的先前版本保持“歷史連續(xù)性”。

此外，2006年ASTM D72504實現(xiàn)標準化，用于根據(jù)長梁和短梁撓曲測試的測試結(jié)果確定夾芯復合材料的剛度性能。該標準實施規(guī)程描述了計算夾層彎曲和剪切剛度以及芯部剪切模量的方程和公式。至少需要一個長梁（ASTM D7249）和一個短梁（ASTM C393）撓曲試驗配置的力-撓度和/或應變數(shù)據(jù)。這些剛度特性通過同時求解每個試驗配置的撓度方程來確定。

在總結(jié)了用于夾芯復合材料的兩種標準化彎曲載荷配置后，在看一下它們與目前用于復合材料層壓板或固體復合材料撓曲試驗的相似之處。與夾芯復合材料的情況一樣，這兩種標準彎曲試驗方法也分為長梁和短梁彎曲試驗。固體復合材料長梁彎曲試驗ASTM 7264，允許使用三點和四點加載。對于這兩種荷載配置，建議跨度與厚度之比為32:1，這兩種荷載配置會產(chǎn)生沿外試樣表面的較大彎曲應力。由于較大壓縮應力（即復合材料層合板的彎曲強度），試樣破壞通常發(fā)生在試樣**部。相比之下，ASTM 23446固體復合材料短梁彎曲試驗僅使用4:1的跨厚比和三點荷載。本試驗方法用于測定短梁強度，定義為破壞時試樣中厚處產(chǎn)生的較大剪應力。由于應力狀態(tài)和產(chǎn)生較大應力的體積的不均勻性，使用這些試驗測得的彎曲強度和短梁強度均不能視為復合材料的材料特性。然而，在某些情況下，這些測量的數(shù)量可用于材料屬性評估。

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