摘 要:通过对含分层缺陷的复合材料层合板进行压缩、弯曲以及拉伸试验,研究了分层缺陷深 度对层合板力学性能的影响;对影响层合板力学性能的因素进行定性分析,得到了层合板力学性能 随分层缺陷深度的变化规律。结果表明:分层缺陷深度对层合板的抗压、抗弯强度有直接影响,而 对抗拉强度的影响十分有限。
关键词:复合材料层合板;分层缺陷;抗压强度;抗弯强度;抗拉强度
中图分类号:TB332 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)01-0016-03
随着航空航天领域的不断发展,对于航天用复 合材料的性能要求在不断提高。复合材料层合板在 制造过程中常会出现内部分层(即分层缺陷)。分层 缺陷作为复合材料的常见损伤形式,影响了复合材 料的力学性能,直接关系着复合材料的使用,因此对 复合材料层合板分层缺陷的研究至关重要[1-5]。
国内外学者对复合材料层合板的分层缺陷做了 大量研究[6-9]。王雪明等[10]总结了分层缺陷的种 类,并分析了其产生原因,开展了分层缺陷试验模拟 方法的研究,发现埋入防黏纸产生的分层最适宜模 拟 分 层 缺 陷。ALAYDIN 等[11] 采 用 KirchhoffLove壳理论与各向异性弹塑性损伤相结合的方法, 模拟了复合材料各层的力学行为,发现这些层在界 面处连接,可用于表示分层的混合模式内聚损伤模 型。目前,关于分层缺陷深度对复合材料层合板力 学性能影响的研究较少,为此,笔者选取圆形分层缺 陷(直径为19mm)进行试验,研究了分层缺陷深度 与复合材料层合板力学性能之间的关系,以提高复 合材料产品的合格率。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
《碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》要 求分层缺陷 C级探伤(一般区域质量等级)的分层 区域不大于19mm(直径),因此选取圆形分层缺陷 (直径为19mm)进行试验。为去除铺层角度对试验结果的影响,将层合板铺层设计为0°方向14层, 板厚为2.5mm。
层合板为对称结构,拉伸、压缩试验时,层合板 受力和约束均对称,层合板中心对称位置的分层缺 陷对拉伸、压缩试验结果的影响一致,因此将压缩及 拉伸试样分为7组,各组试样的分层缺陷分别位于 层合板2~8层相邻的两层间;弯曲试验时,层合板 沿对称面分为受压一侧和手拉一侧,试样两侧受力 状况不同,不可对称简化,因此弯曲试样分为14组, 各组试样的分层缺陷分别位于层合板2~13层相邻 的两层间。压缩、拉伸和弯曲试验的试样尺寸如图 1所示。
层合板实际铺层以及分层缺陷预置方式如图2 所示,沿板件长边0°方向将碳纤维预浸料逐层铺设 于板上,根据分层缺陷的放置要求,在分层缺陷处放 置直径为19mm的圆形聚四氟乙烯薄膜,并在铺层 最外侧标记分层缺陷的具体位置(见图2虚线处)。
1.2 试验方法
试验采用的压力机可更换不同夹具,以满足压 缩、拉伸和弯曲的试验条件,压缩、拉伸和弯曲的试 验过程如图3所示。由图3可知:压缩试验时,为避 免偏心压缩,将上、下压块通过导轨连接;拉伸试样 通过气动夹具与试验机连接,在试样夹紧后先预加 载,确保无误后再加载拉力;弯曲试验为3点弯曲。
2 试验结果及分析
2.1 力学性能测试
压缩、拉伸和弯曲试验后试样的宏观形貌如图 4所示。由图4可知:在到达极限载荷后,压缩试样 瞬间被压溃;在破坏时,拉伸试样纤维整体崩断并散 开;在接近破坏时,弯曲试样受拉一侧的纤维断裂, 持续加大载荷,试样的弯曲挠度突然增大,并发生弯 曲破坏。
2.2 对抗压强度的影响
分层缺陷深度与层合板抗压强度的关系如图5 所示。由图5可知:分层缺陷在试样的2~4层相邻 的两层间(即分层缺陷深度小于板厚的1/4)时,分 层缺陷的深度是影响层合板抗压强度的主要因素, 层合板抗压强度随分层缺陷深度的增加而减小;当 分层缺陷深度为板厚的1/4(层合板中性面)时,层合 板的抗压强度最小,约为无分层缺陷层合板(正常试样)抗压强度的44%;分层缺陷在试样的4~7层相邻 的两层间(即分层缺陷深度大于板厚的1/4)时,分层 缺陷深度对层合板的抗压强度影响较小,分层缺陷试 样的抗压强度不小于正常试样抗压强度的75%。
2.3 对抗拉强度的影响
分层缺陷深度与层合板抗拉强度的关系如图6 所示。由图6可知:分层缺陷试样与正常试样的抗 拉强度比均大于75%,说明分层缺陷深度对层合板 的抗拉强度无明显影响。
2.4 对抗弯强度的影响
分层缺陷深度与层合板抗弯强度的关系如图7 所示。由图7可知:当分层缺陷位于层合板受拉一 侧(正向弯曲)或受压一侧(反向弯曲)时,分层缺陷 深度对试样的抗弯强度影响有着相似的规律;当分 层缺陷位于层合板中性面时,缺陷对层合板的抗弯强度几乎无影响;当分层缺陷的深度小于板厚的 1/4时,正向弯曲比反向弯曲的抗弯强度大约11%; 当分层缺陷的深度大于板厚的1/4时,弯曲状态对 层合板的抗弯强度无明显影响,正向弯曲时最多可 使层合板的抗弯强度减少28%,反向弯曲时最多可 使层合板的抗弯强度减少50%。
3 综合分析
当分层缺陷靠近层合板的外表面时,分层缺陷 与层合板表面间形成了一个较薄的板状结构,层合 板易发生局部屈曲,层合板的有效承载面积减小,导 致整个结构的承压载荷减小;当分层缺陷靠近层合 板的中性面时,分层缺陷与层合板表面间形成的薄 板厚度较大,局部屈曲后层合板的整体承载面积减 小;随着分层缺陷与层合板表面间形成的薄板厚度 不断增大,整个板出现局部屈曲所需的载荷变大,当 出现局部屈曲所需载荷接近层合板整体破坏的载荷 时,层合板无局部屈曲,直接发生破坏,此时分层缺 陷试样的抗压强度接近正常试样的抗压强度。受拉 伸载荷时,层合板全程无局部屈曲现象,因此分层缺 陷对层合板的抗拉强度影响较小。
4 结论
(1)当分层缺陷区域直径为19mm,且深度大于板 厚的1/4时,分层缺陷对层合板的力学性能影响不大。
(2)当分层缺陷区域直径为19mm,且深度小 于板厚的1/4时,层合板应避免受到压缩载荷。
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