地下轨道站
张龙，王波1)，矫桂琼
（西北工业大学工程力学系，西安，710129）
摘要：在复合材料压缩试验标准中，有三种不同的压缩试验标准，ASTM D3410M-03、ASTM D6641M-01以及SACMA SRM6-94标准。不同的标准将得到不同的试验结果。本文对T700/9916复合材料层合板进行了这三种压缩试验标准的压缩试验，从而得到相应的压缩模量和压缩强度。并通过对试验方法中试件所处的应力状态的分析比较，得出了这三种试验标准不同的适用性。ASTM D3410M-03标准中垂直表面的挤压力和剪切力作用对压缩强度影响很大，其压缩强度为662MPa；而在ASTM D6641M-01标准其影响相对较小，强度为803MPa。SACMA SRM 6-94标准中垂直表面的夹块只作为侧面支撑，主要为端部压缩力，因此所受影响最小，但是该方法极易导致端部压溃，压缩强度为1218MPa。 关键词：复合材料；力学性能；压缩试验；试验标准
引言
复合材料由于具有比强度高，比模量大，断裂韧性强，密度低，热稳定性，抗烧蚀性，化学稳定性和尺寸稳定的特点。目前已广泛应用于航天、航空工业等领域中[1~7]。因此复合材料基本性能的测定就变的
尤为重要。而复合材料压缩性能一直以来都是较难测定的。试件的轴向压缩破坏模式大多是失稳破坏。从整个试件横截面的纵向失稳到局部个别纤维的失稳，同时试验装置对所得结果也有很大的影响[8-10]。压缩试验方法中的压缩力可由试件表面的剪切和端部压缩引入试件中。但不同的压缩方式影响试验结果的得出。由于以上种种原因使得压缩性能的测定存在许多困难。Potter等[11]研究了石墨/环氧层复合材料的压缩性能，得出了试件尺寸与压缩性能试验结果的关系。蒋邦海等[12]对一种单纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料进行了三个主方向的准静态压缩试验研究。分析了碳纤维的初始微屈曲对压缩性能和压缩强度的影响。研究了碳布经向，纬向和垂直于碳布方向的压缩强度和压缩模量以及其破坏模式。张子龙[11]用有限元方法对复合材料压缩性能的不同试验方法作了研究。分析了端面加载，剪切加载和复合加载试验。从理论和数值计算上研究了不同试验方法的差异。本文对T700/9916树脂基复合材料进行了不同的压缩试验[13]。通过对不同试验方法的比较研究，并对试验结果进行分析，阐述了不同压缩试验方法对试验结果的影响。1压缩试验标准 本文试件采用的是T700/9916碳纤维增强树脂基复合材料层合板。以下为试件和加强片基本尺寸。
A系列试件：长：140mm，宽：12mm，厚：5mm（用于ASTM D3410M-03，ASTM D6641M-01标准），加强片：长：60mm，宽：12mm，厚：1mm（用于ASTM D3410M-03标准）。
1)通讯作者，email:b.wang@nwpu.edu
B系列试件：长：80mm，宽：15mm，厚：1.35mm。加强片：长：37.5mm，宽15mm，厚：2mm（用于SACMA SRM6-94标准）。
ASTM D3410M-03标准为剪切加载无支持工作段的聚合物基复合材料压缩性能标准试验方法（以下简称为剪切加载方式）。本试验通过楔形夹头接触面的剪切将压缩力引入到试件中，夹具如图1所示。试验横梁位移速度为：1.5mm/min。ASTM D6641M-01标准为复合加载压缩（CLC）试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的标准试验方法（以下简称为复合加载方式）。压缩力通过端部和剪切的复合加载形式引入到试件，夹具如图2所示。试验横梁位移速度为：1mm/min。SACMA SRM6-94标准为定向纤维-树脂复合材料的压缩性能的SACMA推荐试验方法（以下简称为端面加载方式）。该方法是由ASTM D 695导出的。通过端部加载方式将压缩力传递到试件中，夹具如图3所示。试验横梁位移速度为：0.3mm/min。
图1ASTM D3410M-03标准夹具
图2ASTM D6641M-01标准夹具图3SACMA SRM6-94标准夹具
2压缩试验与结果分析
2.1压缩试验
本试验所使用的试验机为：长春电子万能试验机DNS100。应变采集系统为：东华DH3815采集系统。将试件按试验标准放入夹具中。再放置于试验机工作平台上，调整好夹具的位置，确保压缩的对中性。试验开始后做好相应的试验记录。
铜管焊接
s
t
r
e
s
s
(
M
P
a
)
strain(με)
s
t
六足机器人r
e
挤压爆破s
s
(
M
P
a
)
strain(με)
图4剪切加载方式应力-应变曲线图5复合加载方式应力-应变曲线
s
t
r
e
s
s
(
M
P
a
)
displacement(mm)
图6端面加载方式载荷-位移曲线
从图4，5应力应变曲线中可以看出，两者破坏前应力应变一直保持良好的线性关系，而图6的载荷位移曲线在破坏前也基本保持线性。与图6比较，可以看出，剪切加载和复合加载的数据的分散性较小，而图6中端面加载的数据分散性较大。但是图6中端面加载的强度则远大于剪切加载和复合加载的强度。
表1试验结果数据
类型极限载荷/kN极限强度/MPa破坏应变/με弦向模量/GPa
剪切加载方式39.19662.245633.41105.66
可剥胶复合加载方式47.75803.208010.31103.66
端面加载方式24.841218.16
在表1中，剪切加载方式的破坏应变以及极限强度小于复合加载方式，模量相差不大，同时这两种方式的强度均远小于端部加载方式。
对压缩应变测量值和弦向模量进行分析。考虑到欧拉屈曲，工作段需要足够短，同时为使应力衰减到单轴压缩状态，并使泊松约束效应最小化，工作段又必须足够长。因此标准推荐的工作段长度为10~25mm。
同时，试件表面的剪切力将导致应变片测量的应变值偏大，这也使得工作段需要足够长来消除剪切力的影响。由于剪切加载方式中表面的剪切力大于复合加载方式，所以在同样的工作长度下，由剪切加载方式测得的应变会大于复合加载方式。在本试验中，剪切加载方式的工作段长度为20mm ，复合加载工作段为10mm ，均满足标准推荐值。再结合试验数据分析，虽然本试验中剪切加载方式的工作段长度大于复合加载方式，但是其模量仍然大于复合加载方式，说明其长度还未消除其剪切力对应变的影响。因此在考虑欧拉屈曲以及加载方式共同的影响下，复合加载方式所测得的压缩模量更接近真实值。2.2应力集中分析
对试件极限强度进行分析。取试件工作段根部的一个小单元做应力状态分析。如图7所示，σL ,σT 和τLT
分别为压缩应力，挤压应力和剪切应力。
炒茶机
图7单元应力状态分析示意图
由加载方式可知，σL ＜＜σT ＜0，同时相比较于复合加载方式，剪切加载方式随压缩力的增加，加强片加持部分受到的垂直试件表面的挤压力和剪切应力急剧增加。因此在相同的压缩应力σL 下，
复合加载方式的|σT |,|τLT |均小于剪切加载方式。由霍夫曼失效判据
[14]
：222
21
c t c t L L T T LT
L T t c t c t c t c
X X Y Y X X YY X X YY S σσσστσσ---++++=(1)
可知，在σL 一定时，随着|σT |和|τLT |的增大，上式左端数值增大。由此试件破坏易发生在应力集中处，同时也说明，在达到失效条件时，剪切加载方式的极限强度要低于复合加载方式。而端部加载方式的极限强度则高出剪切加载和复合加载很多。这说明剪切应力与挤压应力对压缩状态产生极大的影响，导致强度测量下降。2.3破坏模式分析
图7剪切加载方式破坏断面图8复合加载方式破坏断面
图9端面加载方式破坏断面（左：正常破坏，右：端部压溃）从图7和8破坏断面并结合以上分析可知，断口截面均靠近加强片，这是由于加强片与工作段交界处应力集中，该处处于复杂应力状态导致最先从这些地方破坏。图9为端面加载方式破坏断面，可以看出正常破坏模式中，试件产生分层，并且断口较平齐。图9右边为非正常破坏模式，主要为端部压溃。
在端面加载方式中，其需要侧面支撑，虽然减小了应力集中对压缩强度的影响，但这增加了试验结果对操作技术的依赖性。并对试验结果产生复杂的影响，而导致不合理的试验结果。因此也解释了端面加载方式中数据分散性的产生。
三种加载方式中，由于加载方式引起的垂直表面的挤压应力和沿着表面的剪切应力，使得在工作段根部和夹具加持段交界处产生应力集中。其中剪切加载的应力集中最为明显，复合加载方式次之，端部加载应力集中最小。
端部加载方式对操作要求较高，不正确的装载会致使试件端部的局部压溃，并且容易产生及其复杂的影响而导致试验结果的分散性和不合理性。
剪切加载方式极大地消除了端部局部压溃的无效破坏模式，但在工作段根部的应力集中区域产生的垂直试件表面的挤压应力和剪切应力极大的影响了压缩强度，使得所测强度下降，同时在试验过程中有可能会出现打滑以及加强片脱落而导致试验失败。
复合加载方式可以避免端部加载方式中可能产生的局部压溃，但对挤压预紧力有较高要求，需要很大的加持力防止端部压溃，但过大的加持力会导致明显的应力集中，因此可以在一定程度上减轻工作段根部应力集中的影响。但效果却很不明显。
3结论
通过分析得出以下结论：
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议