夾心復(fù)合材料的彎曲性能測試

時(shí)間：2020-07-29作者：深圳市訊科標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司瀏覽：509

夾芯復(fù)合材料由薄的復(fù)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(gè)剛性和強(qiáng)大的復(fù)合材料面板分離，可產(chǎn)生特別適合彎曲荷載的復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。在這種載荷下，面板承受與彎曲相關(guān)的拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，而中心芯部主要承受剪切應(yīng)力。因此，夾芯復(fù)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(yàn)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(diǎn)荷載與三點(diǎn)荷載。

 

為了在復(fù)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(qiáng)度，圖1a中使用了相對較長的跨度長度和四點(diǎn)加載配置。按照ASTM D72491《夾層復(fù)合材料長梁彎曲試驗(yàn)方法》規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)加載配置。這種結(jié)構(gòu)旨在較大限度地提高面板中的彎曲應(yīng)力，同時(shí)盡量減少芯部的剪應(yīng)力。然而，僅當(dāng)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中提供的試樣設(shè)計(jì)方程表明將產(chǎn)生面板失效時(shí)，才使用該標(biāo)準(zhǔn)配置。否則，需要改變支撐和荷載跨度長度，以達(dá)到預(yù)期的面板破壞。此外，ASTM D7249為試樣設(shè)計(jì)提供了一條有用的經(jīng)驗(yàn)法則：支撐跨距長度應(yīng)至少大于夾層厚度的20倍。另一個(gè)問題是在荷載引入點(diǎn)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(yàn)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(jìn)一步降低應(yīng)力集中。

為了在彎曲荷載下產(chǎn)生復(fù)合夾層梁試件的芯部破壞，使用了相對較短的跨長和三點(diǎn)荷載配置。ASTM C3932夾層復(fù)合材料短梁彎曲試驗(yàn)方法，規(guī)定了76毫米寬、200毫米長的標(biāo)準(zhǔn)試樣。相對較短的150毫米支撐跨度，加上單一的中心加載點(diǎn)，使面板中的彎曲應(yīng)力較小化，并產(chǎn)生芯部剪切破壞。在長梁彎曲試驗(yàn)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(diǎn)處的失效。事實(shí)上，用于進(jìn)行長梁彎曲試驗(yàn)的相同可調(diào)試驗(yàn)夾具可用于通過將一個(gè)加載頭放置在中點(diǎn)并移除另一個(gè)加載頭來執(zhí)行短梁彎曲試驗(yàn)。與長梁彎曲試驗(yàn)類似，ASTM C393提供了用于在面板破壞和中心加載點(diǎn)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(shè)計(jì)方程。注意，芯部剪切和芯-面板粘結(jié)失效都被認(rèn)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(yàn)，以確定芯部的剪切極限強(qiáng)度，但四點(diǎn)加載配置仍包括在試驗(yàn)方法中。原因是什么？在2006年之前，ASTM C393是夾層復(fù)合材料一的彎曲試驗(yàn)方法。因此，該標(biāo)準(zhǔn)的早期版本包括短梁和長梁夾層試樣以及三點(diǎn)和四點(diǎn)荷載。此外，還對試樣設(shè)計(jì)和試驗(yàn)配置提供了較低限度的指導(dǎo)，以產(chǎn)生所需的失效模式。2006年，當(dāng)ASTM D7249標(biāo)準(zhǔn)化用于長梁彎曲試驗(yàn)時(shí)，ASTM C393被改寫為只關(guān)注短梁彎曲試驗(yàn)。然而，標(biāo)準(zhǔn)中保留了四點(diǎn)加載配置，以便與本試驗(yàn)方法的先前版本保持“歷史連續(xù)性”。

 

此外，2006年ASTM D72504實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料的剛度性能。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程描述了計(jì)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(gè)長梁（ASTM D7249）和一個(gè)短梁（ASTM C393）撓曲試驗(yàn)配置的力-撓度和/或應(yīng)變數(shù)據(jù)。這些剛度特性通過同時(shí)求解每個(gè)試驗(yàn)配置的撓度方程來確定。

 

在總結(jié)了用于夾芯復(fù)合材料的兩種標(biāo)準(zhǔn)化彎曲載荷配置后，在看一下它們與目前用于復(fù)合材料層壓板或固體復(fù)合材料撓曲試驗(yàn)的相似之處。與夾芯復(fù)合材料的情況一樣，這兩種標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)方法也分為長梁和短梁彎曲試驗(yàn)。固體復(fù)合材料長梁彎曲試驗(yàn)ASTM 7264，允許使用三點(diǎn)和四點(diǎn)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(yīng)力。由于較大壓縮應(yīng)力（即復(fù)合材料層合板的彎曲強(qiáng)度），試樣破壞通常發(fā)生在試樣**部。相比之下，ASTM 23446固體復(fù)合材料短梁彎曲試驗(yàn)僅使用4:1的跨厚比和三點(diǎn)荷載。本試驗(yàn)方法用于測定短梁強(qiáng)度，定義為破壞時(shí)試樣中厚處產(chǎn)生的較大剪應(yīng)力。由于應(yīng)力狀態(tài)和產(chǎn)生較大應(yīng)力的體積的不均勻性，使用這些試驗(yàn)測得的彎曲強(qiáng)度和短梁強(qiáng)度均不能視為復(fù)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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