碳纤维复合材料的应变测量试验方法研究

碳纤维复合材料目前被广泛用于制造航空航天设备以及轻量化武器装备的承力结构件,它的力学性能测量试验研究具有重要的意义。本文利用万能材料试验机对碳纤维复合材料进行拉伸试验,通过在材料的同一位置粘贴电阻应变片,结合光纤光栅传感器和喷涂散斑高速摄像的方法对其进行了应变测量可行性验证。常温下,万能材料试验机以一定的加载速度加载,在不同拉力处获得了应变试验数据。结果表明材料在拉伸和卸载过程应变分别呈现线性上升和线性下降趋势,三种试验方法获得的实验结果具有较好的一致性,利用该方法,尝试了碳纤维复合材料的受热应变测试。     

采用不同金属材料铆接修补碳纤维复合材料板的性能对比

随着复合材料在主承力结构上的应用，复合材料修理技术已经成为复合材料服役周期内的重要一环，其中利用金属的铆接修补方法在快速修补技术中具有重要应用。采用中心挖跑道形孔法模拟碳纤维复合材料损伤，分别使用不锈钢板与钛合金板对复合材料损伤件进行铆钉修补，对损伤件和两种修补件进行轴向拉伸试验，并采用应变计监测复合材料孔边及金属板中心应变。试验结果表明：采用不锈钢和钛合金与复合材料损伤件以铆接方式得到的修补件可承受的最大载荷相同，与未修补的相比提升了65.2%，说明对复合材料损伤板使用金属材料铆接修补具有一定补强效果，并且与使用不锈钢和钛合金材料进行修补的效果相当；在修补件拉伸过程中，碳纤维复合材料先于修补用金属材料失效；2种金属铆接修补件的破坏应变比无修补的损伤件的破坏应变略有增加但影响不大。     

复合材料层板动态力学性能和温度相关性的实验研究

在不同温度环境下,利用ＭＴＳ材料试验机,采用中等应变速率（１／ｓ）,对玻璃布－环氧层板实施了冲击拉伸实验,测试了该材料在不同温度、不同应变速率下的应力应变曲线,确定了杨氏模量、拉伸强度和泊松比等力学参数。实验结果表明,玻璃布－环氧层板具有明显的应变率、温度效应;在室温以上温度环境下,该层板具有动态韧性。还分析讨论了复合材料拉伸试样设计的一些主要问题,给出哑铃形试样结合粘贴加强片和销钉拉伸的复合材料拉伸试样设计方法。     

复合材料层板动态力学性能和本构关系研究

在不同温度环境下 ,利用MTS材料试验机 ,在中等应变速率 ( 1 /s)下 ,对玻璃布———环氧层板的动态力学性能进行了实验研究 ,给出一种较为可靠的复合材料拉伸试样设计方法 ,获得了杨氏模量、拉伸强度和泊松比等力学参数。实验结果表明 ,玻璃布———环氧层板具有明显的应变率相关和温度效应。采用Johnson提出的温度、应变率相关的本构模型 ,根据实验数据拟合了玻璃布———环氧层板材料的本构关系 ,分析表明该本构关系可以很好地描述材料的应变率和温度效应。     

环境载荷对碳纤维电热复合材料电热性能的影响

 考查了碳纤维电热复合材料在通电加热和力学载荷下的电热性能。结果表明,碳纤维电热复合材料的电阻值随温度的升高成线性减小关系,但其变化范围较小;拉伸或弯曲载荷下的变形,碳纤维电热复合材料的电阻值均随着形变量的增加而增大,但环境载荷对2 种载荷的影响有所区别。其中,电阻值随拉伸载荷的增大成线性增大关系,但在初始加载和即将拉断时电阻会有较大波动;对于弯曲载荷,初始加载时电阻值并没有发生明显变化,当加载达到某一临界值时,电阻值随弯曲载荷的增大成线性增大关系。     

钢材应变硬化与应变率效应的试验

利用INSTRON拉伸试验机和Zwick/Roell HTM5020型高速拉伸试验机对Q420钢材开展了不同应变率下（0.001-288s-1）的单轴拉伸试验,研究应变率效应对钢材力学性能的影响。试验结果表明,Q420钢为应变率敏感型材料,其硬化特征随应变率的提高而变化。采用ANSYS中LS-DYNA模块对静力和动力拉伸试验进行仿真模拟,通过逆向反推的方式获得了Q420钢颈缩后的真实应力应变曲线。仿真结果显示,Q420钢材的真实应力应变关系随着应变率的提高,从幂次型的Ludwik准则向指数型的Voce准则转化。为得到更优的动本构模型,在H/V-R本构模型中引入新的应变率准则,以Cowper-Symonds模型中的钢材动力放大系数代替H/V-R本构模型中的线性Wagoner应变率准则。结果显示,修正H/V-R本构模型很好地吻合了试验数据,准确反映了大应变状态下的应变硬化特征和应变率对应变硬化的影响。     

Q420钢材应变硬化与应变率效应的试验

利用INSTRON拉伸试验机和Zwick/Roell HTM5020型高速拉伸试验机对Q420钢材开展了不同应变率下(0.001~288s-1)的单轴拉伸试验,研究应变率效应对钢材力学性能的影响.试验结果表明,Q420钢为应变率敏感型材料,其硬化特征随应变率的提高而变化.采用ANSYS中LSDYNA模块对静力和动力拉伸试验进行仿真模拟,通过逆向反推的方式获得了Q420钢颈缩后的真实应力应变曲线.仿真结果显示,Q420钢材的真实应力应变关系随着应变率的提高,从幂次型的Ludwik准则向指数型的Voce准则转化.为得到更优的动本构模型,在H/V-R本构模型中引入新的应变率准则,以Cowper-Symonds模型中的钢材动力放大系数代替H/V-R本构模型中的线性Wagoner应变率准则.结果显示,修正H/V-R本构模型很好地吻合了试验数据,准确反映了大应变状态下的应变硬化特征和应变率对应变硬化的影响.     

不同应变率下Q345钢材力学性能试验研究

利用INSTRON拉伸试验机和Zwick/Roell HTM5020型高速拉伸试验机对Q345钢材进行准静态和高速拉伸试验.采用ANSYS中的LS-DYNA模块对不同加载速率下的拉伸试验进行仿真模拟,通过试验与仿真相结合的方式获得了钢材的真实应力应变曲线.仿真结果显示,Q345钢的真实应力应变关系在低应变率和高应变率下可分别近似用Ludwik模型和Voce模型描述.通过采用Hollomon准则和Voce准则的线性组合模型(H/V-R模型)对试验数据进行拟合,验证了H/V-R模型能比较准确地反映Q345钢的应变率效应,但和试验数据仍稍有偏差.为得到更优的经验型本构模型,将Wagoner的应变率准则引入H/V-R本构模型,进一步优化得到了可准确反映Q345应变率效应的H/V-R2经验型本构模型.     

多晶纯钛中应变率拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的中应变率材料试验机,在室温下对多晶纯钛进行了0.004~14 s-1的准静态至中应变率范围内的拉伸试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变关系.试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为在准静态至中应变率范围内具有明显的应变率强化效应和应变硬化效应,且有随应变率增大而逐渐明显的绝热温升软化效应.金相观察显示,拉伸变形过程中伴随孪生机制且孪晶密度随加载应变率的升高而增大.基于Johnson-Cook模型,提出了通过引入综合绝热温升软化系数Ψ来计及与应变率相关的绝热温升软化效应的修正的热粘塑性本构模型.结果表明,该模型能较好地表征多晶纯钛在本试验应变率范围内的拉伸力学行为.     

预应力钢绞线动态力学拉伸性能及本构关系

首先利用电液伺服加载试验机对单束钢绞线在(10~(-3)~10~(-1)s~(-1))应变率范围内进行动态力学拉伸试验;然后根据实验数据,分析了不同应变率对屈服强度的影响规律;并对我国设计规范中用于硬钢类材料简化计算的Ramberg-Osgood本构模型进行修正,以获得可以更好地描述钢绞线动态拉伸应力-应变关系的本构模型。研究表明,单束钢绞线的应变率越大,其屈服应变和极限应变越小,屈服强度越大。修正后的Ramberg-Osgood本构模型能够较好地描述钢绞线动态拉伸应力-应变关系;并且随着应变率的增大,钢绞线的硬化指数减小,残余应变增大。     

岩石动态断裂试验

对于ＩＮＳＴＲＯＮ试验机，开发了高速加载试验控制软件，并利用该软件进行岩石动态断裂韧度试验研究，试验表明：ＩＮＳＴＲＯＮ试验机和开发的软件结合，能对各种材料进行动态断裂试验，并能揭示岩石动态断裂韧度存在的某些特征，是在中等应变速率加载范围内进行高速加载试验的理想工具。     

EPS材料的单向力学行为研究

对不同标称密度的国产聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)进行了单向拉伸和单向压缩的加载试验.通过对试验结果的研究分析,阐述了密度和应变率对EPS材料力学性能的影响,并利用Ramberg-Osgood模型描述了材料的单轴拉伸一维应力应变关系.     

编织碳/碳复合材料剪切性能测试方法研究

根据Iosipescu剪切试验原理和编织碳/碳(C/C)复合材料的微结构特征,设计了相应的夹具和试件,建立了三维碳/碳复合材料剪切性能的试验方法。利用该方法对细编穿刺C/C复合材料进行了剪切试验,得到了材料在不同方向上的载荷-应变曲线。结果表明改进的Iosipescu试验方法能有效测定编织C/C复合材料的剪切性能。通过试件的断口分析,揭示了材料在加载过程中微结构不断演化导致材料最终破坏的断裂机理,材料的τ-γ曲线也体现了明显的分段线性特征,不同材料方向的剪切性能和破坏模式也不相同。     

碳纤维机织复合材料损伤演化的声发射特征及信号分析

对碳纤维斜纹机织复合材料层合板进行了拉伸试验,利用声发射技术监测复合材料的损伤演化规律,复合材料的各种失效模式具有明显的声发射特征参数;应用 Hilbert-Huang 变换来分析复合材料损伤发生时的声发射信号,能够准确地获得信号的瞬时物理量,并且利用频率特征能够很好的识别损伤模式,为研究复合材料损伤机理提供新的方法。     

碳纤维复合材料连接方式

为了解碳纤维材料不同连接方式对连接强度的影响,进行了碳纤维复合材料胶接和螺栓连接的拉伸试验.结果表明:采用胶接方式时碳纤维复合材料的拉断力随胶粘面积的增大而增大;单螺栓连接材料的拉伸破坏载荷均值为5.22kN,螺栓孔拉伸强度均值为481.83 MPa;双螺栓连接材料的拉伸破坏载荷均值为10.82kN,螺栓孔拉伸强度均值为538.8 MPa.     

两种结构用铝合金循环加载试验研究

铝合金材料的滞回性能是研究铝合金结构抗震性能的基础.针对国产6082-T6和7020-T6铝合金,采用等幅升幅、等幅交替和循环拉伸3种不同的加载制度进行循环加载试验,最大应变控制在±4%.试验采用标距与直径比为1.5的小标距试件防止其在循环加载时发生受压失稳.小标距试件和标准试件的单调拉伸结果对比表明,在4%的应变范围内,小标距试件和标准试件的试验结果相差很小,因此采用小标距试件进行循环加载试验是可行的.通过循环加载试验获得了铝合金材料的应力-应变关系及滞回特性.试验结果显示,铝合金材料有良好的滞回性能和延性,加载方式对其骨架曲线有一定影响.     

应力锥橡胶材料在变温环境下的力学性能

利用德国Zwick020材料试验机,进行高压电缆终端应力锥两种橡胶材料在不同温度环境下单向拉伸大变形力学行为的试验研究,得到不同温度和不同加载速率条件下材料的应力 应变关系曲线,并分析了温度及加载速率变化对材料力学性能的影响.运用Mooney Rivlin橡胶材料模型,对试验材料进行了理论分析,根据试验结果拟合出相关参数,构建了适用高压电缆终端应力锥两种橡胶材料的本构关系公式.对比不同温度下两种橡胶材料的理论计算和试验的应力值,说明该本构关系满足工程实际需要,为高压电缆应力锥的进一步研究提供了理论基础.     

三维编织复合材料的冲击压缩和裂纹分布

在不同应变率(500～800s-1)条件下,对三维四向和五向编织复合材料进行面外动态压缩试验,获得其压缩力学性能。通过高速摄影仪记录了三维编织复合材料的动态冲击损伤过程。对试样进行光学显微镜观察,获得不同加载应变率下截面形态,分析编织结构和加载条件对截面裂纹分布以及扩展的影响。结果表明:三维五向编织复合材料对应变率更敏感;应变率对不同结构三维编织复合材料的裂纹分布的影响具有一定的相似性;编织结构对截面裂纹分布具有显著影响。     

聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料中低应变率动态拉伸力学性能

为研究(PC/ABS)的动态力学性能,利用静力材料试验机和高速液压伺服材料试验机,于常温环境中开展了PC与ABS混合比为5∶5的PC/ABS材料在准静态和中低应变率下的拉伸试验,得到了材料在应变率为0.002、0.017、0.12、1.2、12.8 s~(-1)和130 s~(-1)时的真实应力-应变曲线,结果显示该材料具有应变软、硬化效应,并表现出明显的应变率敏感特性。基于试验数据拟合Johnson-Cook本构模型参数,建立了PC/ABS材料的动态本构方程,拟合结果与试验结果较为符合,能较好地表征PC/ABS在塑性段的动态拉伸力学行为。     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.