复合材料力学行为研究实验(有试件图).doc

复合材料力学行为研究实验

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一般材料力学研究的是均匀分布、各向同性的材料，但是现在又出现了并且在工程上越来越广泛使用的一种材料叫复合材料。它是一种各向异性材料。复合材料是两种或两种以上不同性能的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于其组分材料的性能。复合材料在力学行为上有什么特点，各向异性表现在哪些方面？各向异性材料如何测量它的弹性常数，不同纤维铺层方向和不同加载方向的力学性能有何差别，什么是沿轴性态和离轴性态?… 为了便于学生研究探讨这些问题，我们专门加工了一种增强材料沿单向铺层的复合材料板（如图1所示）。由于是单向增强，所以回避了许多复合材料研究上的复杂问题。
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图1 单层复合材料构造形式 图2 坐标定义

本试验主要研究的具体材料是玻璃纤维单向增强复合材料。玻璃纤维的弹性模量约为80~85GPa, 基体是环氧树脂，其弹性模量约为3~5Gpa。其纤维与环氧树脂的体积比约为1：1。同时还提供了双向增强复合材料（正交增强），其两个方向纤维的比例为18：14和部分金属材料。
一．实验原理和试验方法
材料的弹性常数是描述材料力学性能的一项基本参数。作为衡量材料的刚度和弹性变形行为的特征值，它是理论计算和工程设计中一项非常重要的指标。我们熟知的材料，比如金属材料都是各向同性材料，独立的弹性常数是两个，即扬氏弹性模量E和泊松比υ(或剪切弹性模量G)。而复合材料，由于其突出的各向异性的性质，独立的弹性常数增加了。为了测定复合材料的弹性常数, 将被测材料加工为纤维与加载方向成0°、45°和90°的三种试件。每种试件的三个方向的应变即纵向应变、横向应变和45゜方向的应变均采用粘贴电阻片的方法测量。应变片信号按一定的组桥方式接到测量电桥上，可利用数字静态应变仪直接定点读取应变信号或利用数据采集系统自动纪录载荷、应变数据。对实验数据进行线性回归的处理，按下列公式计算出复合材料的弹性常数：

0°试件：

90°试件：

45°试件：

坐标的定义如图2表示。耦合切应变是复合材料离轴受力状态下的一个力学特性。为了研究和测量耦合切应变，在试件上除了在0°、90°方向粘贴应变片以外，我们还专门在45°方向同样粘贴了应变片。希望学生通过不同方向应变的测量和对测量结果的分析，能够对于复合材料的两种受力状态即沿轴受力状态（0°、90°）和离轴受力状态（45°）的区别和各自的特点有一个认识，能够用实验方法测量出耦合切应变。
1．试件加工
将被测复合材料板沿0°、45°和90°三个方向加工成标准的拉伸试件。试件的形状如图3所示，试件的名义尺寸为厚度t=2.5-5mm、宽度b=25mm。试件两端粘贴金属铝片或玻璃钢片作加强片。

图3 拉伸试件示意图

试件名称定义方法如下：
1）．单向复合材料
0°试件－顺纤维方向(纵向)；
90°试件－垂直于纤维方向（横向）；
45°试件－与纤维成45°方向（偏轴45°）。
2）．正交复合材料
0°试件－顺主纤维方向（纵向）；
90°试件－垂直于主纤维方向（横向）；
45°试件－与主纤维成45°方向（偏轴45°）。
2．应变测量方法和联线说明
试件的应变由电阻应变片测量。电阻片电阻值为120Ω, 灵敏系数K丝为2.08, 横向修正系数H=1.2%。电阻片对称粘贴在试件的正反两面，每面布置3个电阻片，方向分别为0°（加载方向）、90°（垂直加载方向）和45°（与加载方向成45°），即为ε0、ε90和ε45。
为便于联线测量，在贴片位置上方固定了联线板和14针插座(参见图3)。插座的上下两针短接在一起, 使用其中的6组，分别按顺序连接三个方向的电阻片的6个引出线。测量时，连接上带有14针插头的排线，其插头与插座相连，排线为12线，每相邻两根接在一起，形成6根输出线分别对应三个应变片。
二．实验目的：
1． 掌握复合材料弹性常数测试方法；
2． 测定复合材料五项弹性常数，即E1、E2、μ21、μ12和G12；
3． 认识复合材料各向异性的特点；
4．认识复合材料在不同纤维铺层方向和不同加载方向的力学性能；
5．研究沿轴性态中E1、E2、μ21、μ12之间的关系；
6．研究离轴加载时耦合剪切现象；
7．研究耦合切应变的测量方法；
三．实验设备及试件
1．电子万能试验机
2．一组单向增强复合材料试件
包括0°、45°和90°三个方向试件，试件上已粘贴好应变片。
4． 多通道信号前置放大器及数据采集系统
5． 多通道数字静态应变仪；
5．0．02mm游标卡尺。
四．实验安排
本实验要求学生根据给出的实验条件，设计实验方案，自己拆装试件、自己接线和调试仪器和完成整个实验。实验材料以单向复合材料为主，有正交复合材料和金属材料可以选用。实验时间为3～4学时。
五．实验步骤参考
被测材料是单向增强复合材料，各个方向的试件性能差异很大。一定要在安装试件和加
载过程中注意保护试件。试验前，要设计好实验所需的数据表格，准确测量试件尺寸，并根据被测材料的许可应力和应变片的应变测量范围, 给出试件的实验最大载荷Pmax。
1．计算机采样方式
将正反两面的六个电阻片信号分别接到静态应变仪的六个通道上。每个通道都备有4个接线端子，分别对应A、B、C、D。试验采用单臂测量方式，A、B端接工作片，B、C接温度补偿片。打开计算机电源，在windows环境下运行材力试验教学软件，选择 “弹性常数测定实验” 自动进入到试验信号显示和试验机控制界面。
在“实验条件”中设置每个接应变片的通道变量性质为“单臂”。实验前将各通道应变显示值置为零 。选择低速，按“开始”慢速加载，计算机自动采集和记录载荷、位移和六个应变信号，直到达到实验最大载荷。按“结束”，自动停止加载和采样。实验结束后，可将数据存为数据文件，将文件复制到软盘中，采用其它软件对数据进行处理，也可转到数据处理界面，观察各关系曲线，有必要可求出所选曲线的斜率，并打印输出。
2．数字应变仪读数方式
首先选择接桥方式，然后将应变片引线根据设定的接桥方式接到应变仪桥盒上。在慢速
下对试件予加载一次，卸载到初载荷。用分级加载的方式记录5—10组载荷和应变的数据。选择最好的一组数据，用最小二乘法进行线性回归处理，求出曲线的斜率。注意要选择合适的加载范围，在最大的实验载荷Pmax之内，根据具体条件确定初载荷P0和末载荷PN。加载速度要控制好，在接近控制参数时降低加载速度并及时读数。记录数据时，随时检查应变增量是否符合线性。试验至少重复两次，如果数据稳定、重复性要好即可。
六．实验数据整理
1． 分别对每种试件的载荷与轴向应变数据和轴向应变与横向应变数据用最小二乘法线性回归处理，求出曲线的斜率即E和μ。计算出被测材料的E1、E2、μ12、μ21和G12，对计算结果进行分析，讨论E1、E2、μ12、μ21四个常数之间有无定量关系；
2． 按照被测材料 的参数为玻璃纤维的弹性模量E＝85Gpa, 环氧树脂弹性模量E＝5Gpa和纤维与环氧树脂的体积比1:1, 计算材料的弹性模量E1、E2理论值，并与实验结果比较，分析造成差别可能的原因。
3． 计算单向复合材料和正交复合材料在P＝2KN时的耦合剪应变gxy,并说明剪应变是发生在哪种试件上（沿轴状态还是离轴状态），与θ有无关系；从实验数据中能否直接观察或准确测定出耦合剪应变gxy，实验值与计算值是否一致，误差说明什麽？
4． 在坐标纸上绘制被测的玻璃纤维单向复合材料的三个方向试件的初始阶段的应力－应变曲线。
5． 比较复合材料和一般金属材料，说明纤维增强复合材料的特点和各向异性的表现。
6． 整理数据，完成完整的实验报告（注意数据表格化，实验数据完整，分析讨论有一定深度，结论明确。）

八．思考题
1． 本试件为板状试件，试件安装不易保证对中，易使试件拉伸时产生附加弯曲，试问，用什么办法减少和消除这种误差。
2． 拉伸试件三个方向的应变即e0°、e45°和e90°之间应该满足什么关系？各向同性材料与各向异性材料有无区别？
3． 试验时为什么要加初载P0？应变初读数e0的任意设置对本试验的测量结果有无影响？原点如何修正？
4． 什么是K仪？什么是K丝？如果K仪与K丝不一致应如何修正？
5． 用电阻片测量复合材料横向应变时，可能横向效应比较大。如电阻片的横向系数H＝1.2％，用

计算m21,m12，比较修正前后的数据，说明横向效应对计算结果的影响。

预习要求：
1． 参看范钦珊老师主编的《材料力学》或《工程力学》中的“复合材料的力学行为”等内容