环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性.pdf
《环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、DOI:10.11858/gywlxb.20230618环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性乔井彦1,李金柱1,张羲黄2,姚志彦1,申仕良1(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081;2.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621999)摘要:为系统地研究环氧树脂玻璃钢在静、动态拉伸载荷作用下的力学性能,采用材料测试系统和分离式霍普金森拉杆对材料进行拉伸试验,获得 0.0010.1s1及 11281840s1应变率下的应力-应变曲线和相应的力学参数。结果表明,动态加载下环氧树脂玻璃钢的应变率增强效应较为明显。为此,引入动态增强因子描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能
2、的增强。采用扫描电镜对损伤断面进行观测,发现动态加载下纤维束平整断裂,而非静态加载下纤维拔出失效。相较于静态加载,动态拉伸载荷作用下玻璃钢的基体-纤维界面断裂韧度更高。基于环氧树脂玻璃钢在动态拉伸下的力学响应,引入宏观损伤累积量,建立一种考虑损伤的非线性拉伸本构模型。拟合结果表明,该模型整体上可以反映环氧树脂玻璃钢在动态拉伸载荷作用下的力学响应。关键词:环氧树脂玻璃钢;动态拉伸;应变率敏感性;动态增强因子;损伤本构模型中图分类号:O347.3文献标识码:A环氧树脂玻璃钢的电性能十分稳定,比抗拉强度较高,耐腐蚀性良好,制作工艺相对简单,被广泛应用于巡航导弹导引舱外壳、雷达天线罩等1。在实际应用中
3、,这些构件常受到爆炸、冲击等动态载荷的作用2。环氧树脂玻璃钢属于各向异性的纤维增强复合材料,与成分均匀的金属材料相比,其力学响应更复杂,经受动、静态载荷时的损伤模式与破坏机理更庞杂34。这需要对环氧树脂玻璃钢材料在不同载荷条件下的力学性能进行实验与理论研究,以分析环氧树脂玻璃钢构件在爆炸冲击载荷下的动态力学响应。目前,玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究主要基于万能材料试验机(materialtestingsystem,MTS)和霍普金森拉杆(splitHopkinsontensilebar,SHTB)测试系统。夏源明等5最早研究了单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能。Shokr
4、ieh 等6在 0.001100s1的中低应变率范围内研究单向玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸行为时发现,随着应变率的提高,抗拉强度显著增大,而失效应变略有增加。吴健等7研究了单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在中等应变率下的面内剪切性能,发现其剪切性能对应变率比较敏感。刘子尚等8对单向增强玻璃钢复合材料进行了一系列静、动态拉伸试验,利用高速摄影结合数字图像相关法,精确地描述了复合材料的静、动态拉伸及失效行为。在非单向纤维增强环氧树脂复合材料方面,Fereshteh-Saniee 等9指出,RE200E-玻璃/环氧树脂复合材料在 0.00010.11s1低应变率下的拉伸行为具有应变率依赖性。
5、张磊等10研究了 E-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料沿纤维方向和垂直纤维方向的准静态拉伸力学性能,探讨了该材料在输电杆塔结构中应用的可行性。张硕等11也开展过类似的研究。Chen 等12研究了玻璃纤维/环氧层压板在低应变率(105101s1)和中应变率(1250s1)下的拉伸力学性能,发现该材料的拉伸强度、断裂应变和*收稿日期:2023-02-23;修回日期:2023-03-16 基金项目:国家自然科学基金(11472052)作者简介:乔井彦(1996),女,硕士,主要从事材料与结构冲击动力学研究.E-mail:qjy_ 通信作者:李金柱(1972),男,博士,副教授,主要从事爆炸与冲击动力学
6、研究.E-mail:第37卷第3期高压物理学报Vol.37,No.32023年6月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSJun.,2023034102-1杨氏模量都具有应变率敏感性。Naik 等13研究了典型平纹编织的 E-玻璃纤维/环氧树脂复合材料沿厚度及纤维方向的拉伸力学行为特性,试验结果表明,两个拉伸方向下材料的动态抗拉强度相较于准静态下分别提高了 75%93%和 63%88%,然而该研究的动态应变率范围仅为 140400s1。Staab 等14通过实验发现,应变率约为 103s1时玻璃/环氧树脂层压板所承受的最大正应力高于准静态加载条件下的最大正应力。G
7、ao 等15基于动态压缩实验和改进的朱-王-唐非线性黏弹性本构模型,提出了一种编织玻璃纤维增强复合材料的动态压缩本构关系。许沐华等16基于动态压缩试验结果,建立了一种含损伤因子的应变率相关本构模型,并描述了 Kevlar 纤维增强复合材料在冲击载荷作用下的损伤软化效应。综上可知,目前国内外对单向纤维或纤维织物增强的环氧树脂复合材料在中低应变率下的力学性能开展了较多的研究工作,而针对 E-玻璃纤维增强复合材料在高应变率下的动态拉伸实验研究相对较少,并且相关研究并未对该材料在动态拉伸载荷作用下的损伤失效过程进行分析讨论,相应的本构模型很少考虑动态拉伸效应。此外,由于纤维增强复合材料的微观结构较复杂
8、,其失效过程更复杂,因此还需从微观尺度对比探究不同加载速率下材料的失效特点和失效机理。本研究将开展 E-玻璃纤维增强环氧树脂玻璃钢在准静态与动态拉伸载荷作用下的拉伸实验,通过应力-应变曲线探究应变率对力学性能的影响,对比分析失效模式,揭示微观损伤机理,最后提出一种考虑损伤累积效应的拉伸本构模型。1 实验 1.1 样品制备实验中使用的环氧树脂玻璃钢是以环氧树脂为基体,以 E-玻璃纤维及其织物为增强材料,复合而成的低压成型材料。其型号为 EPGC202,密度为 2.05g/cm3,环氧当量为 170,固化剂胺值为 500;织物是由高模无碱玻璃纤维编织而成,面内纤维按照正交编织方式铺层。图 1 给出
9、了准静态和动态拉伸实验的试样尺寸与试样照片。通过高精度数控铣床加工试样,并使用1200、2000、3000 目的砂纸依次打磨试样表面,使试样具有良好的尺寸精度和表面光洁度。动态拉伸试样与拉杆之间的连接通过专门设计的夹具实现,夹具尺寸与实物照片如图 2 所示。R75105022054113180(a)Dimensions of quasi-static tensile specimen(b)Quasi-static tensile specimen(d)Dynamic tensile specimen 28R2812191046.2(c)Dimensions of dynamic tensile
10、 specimen图1环氧树脂玻璃钢试样(单位:mm)Fig.1Specimensofglassfiberreinforcedplastics(Unit:mm)第37卷乔井彦等:环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性第3期034102-2 1.2 准静态及动态加载实验装置EETT准静态压缩实验在 MTS 电子万能试验机上完成。当试样发生较大的塑性变形时,当前的几何尺寸与之前相比发生了较大的变化,所以将工程应力和工程应变转化为试样的真实应力、真实应变,以减少实验误差。试样在准静态拉伸载荷作用下的真实应力和真实应变的计算公式为T=ln(1E)T=E(1E)(1)动态拉伸试验在 SHTB 实验系统上进行
11、,实验装置如图 3 所示。杆材料均采用 18Ni 钢,杨氏模量为 190GPa,密度为 8000kg/m3。撞击杆长 350mm,入射杆和透射杆的长度均为 1200mm,撞击杆、入射杆和反射杆的直径均为 19mm。在入射杆与子弹的接触端设置波形整形器,以消除入射波的高频振荡。传统电阻应变片采集的应变信号较微弱,数据处理误差大,为此,本试验采用半导体应变片,其信噪比高,可有效放大应变信号,较准确地确定透射波的起跳点。借助入射杆和透射杆上的应变片以及信号收集系统采集的应变信号,基于一维应力波理论及动态平衡假设,可得到试样的应变率、应力以及应变(t)=2C0Lswt0r(t)dt(2)(t)=AbE
12、bt(t)/As(3)(t)=2C0Lswt0r(t)dt(4)C0AbEbLsAsr(t)t(t)式中:、分别为杆的波速、杆的横截面面积、杆的杨氏模量、试样的长度和试样的横截面面积,和分别为反射应变和透射应变。(b)Photography51220R151733054.056.2(a)Dimensions of fixture 7.7M10图2动态试验中使用的夹具(单位:mm)Fig.2Fixturesusedindynamictensileexperiments(Unit:mm)Semiconductor strain gaugeSemiconductor strain gaugeStri
13、kervIncident barTransmitted bar350 mm19 mm1 200 mm1 200 mmShock absorberFixtureSpecimen图3SHTB 试验装置示意Fig.3SchematicdiagramofSHTBtestdevice第37卷乔井彦等:环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性第3期034102-3 2 实验结果与分析 2.1 准静态拉伸实验结果与分析在 MTS 电子万能试验机上对试样进行准静态拉伸,设置 3 种恒定的加载速率,对应的应变率分别为 0.001、0.01 和 0.1s1。每个加载速率下均进行 3 次重复实验,最终的实验结果为 3 次
14、重复实验中相近的两次实验结果的平均值。回收实验后的试样,并对试样的损伤失效情况进行分析,典型的实验结果如图 4 所示。可以看出,各个应变率下试样断口位置均出现在拉伸区边缘,这是脆性材料对连接处敏感的体现。试样断口局部有泛白现象,表明基体承受一定的拉伸应变后发生断裂。断口均垂直于拉伸方向,且相对平整,平行于加载方向的纤维丝变细,并发生拉伸断裂,部分纤维从基体中拔出,垂直于加载方向的纤维集束分散脱落,在基体发生断裂后纤维仍承受拉应力,直至最后拉伸失效。图 5 给出了环氧树脂玻璃钢在准静态拉伸下的应力-应变曲线。可以看出:在加载的初始阶段,应力-应变曲线斜率相对稳定,即弹性段,应力与应变线性相关;随
15、着载荷的增加,曲线斜率逐渐降低,呈现出非线性特征,即损伤段,材料基体出现损伤破坏,模量逐渐降低;随着加载的继续进行,拉伸载荷高于纤维的极限抗拉强度,最终试样失效断裂。从图 5 中的插图可知,当应变为 0.0035 时,3 条曲线开始分离,因此将此点定为弹性段与损伤段的分界点。选取正比例函数对应力-应变曲线的弹性段进行拟合,该函数的一次项系数即可认为是杨氏模量的值。表 1 给出了环氧树脂玻璃钢准静态拉伸的相关力学参数。由表 1 可知,0.001s1应变率下,试样的杨氏模量为 16.66GPa,拉伸强度为 526.74MPa,失效应变为 4.57%。相比之下,应变率为 0.01 和 0.1s1时的
16、拉伸强度分别为 565.75 和 586.69MPa,分别提高了 7.41%和 11.38%,失效应变分别为 4.90%和 4.98%,分别增长了 7.22%和 8.97%,说明随着应变率的提高,拉伸强度和失效应变均有所增加;而应变率为 0.01 和 0.1s1时的杨氏模量分别为 16.70 和 16.79GPa,仅增长了 0.24%和 0.78%,说明随着应变率的提高,杨氏模量的提高并不显著。表 1 环氧树脂玻璃钢的准静态拉伸力学参数Table 1 Quasi-static tensile mechanical properties of glass fiber reinforced pla
17、sticsStrainrate/s1Youngsmodulus/GPaTensilestrength/MPaFailurestrain/%0.00116.66526.744.570.0116.70565.754.900.116.79586.694.98(a)0.001 s1(b)0.01 s1(c)0.1 s1图4准静态拉伸加载下试样的失效模式Fig.4Failuremodesofthespecimensunderquasi-statictensileloading600Stress/MPa5004003000.010.020.03Strain0.040.0520010000.001 s10.
18、01 s10.1 s1=0.003 5图5准静态拉伸加载下试样的应力-应变曲线Fig.5Stress-straincurvesofspecimensunderquasi-statictensileloading第37卷乔井彦等:环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性第3期034102-4 2.2 动态拉伸实验结果与分析采用 SHTB 装置开展动态拉伸实验,通过应变信号采集系统收集实验数据,设置 5 种加载气压,对应的应变率分别为 1128、1366、1547、1735 和 1840s1。回收实验后的试样如图 6 所示。可以看出,动态拉伸加载后试样均在肩部发生断裂失效,可见,环氧树脂玻璃钢材料是一种
19、对应力极度敏感的材料。虽然在拉伸区与固定端中间设计了圆弧作为过渡段,以减小连接处应力集中带来的误差,但是加工造成的局部损伤仍无法避免。拉伸实验后,试样以局部损伤点为破坏源,继而引发试样的整体断裂,断裂面边缘与面内区域基本平齐且垂直于拉伸方向,试样发生脆性断裂。而断裂局部出现泛白区,这是基体变形后发生的损伤。图 7 给出了应变率分别为 1128、1366、1547、1735 和 1840s1时试样的动态拉伸应力-应变曲线。可以看出,动态加载下试样的应力-应变曲线受应变率的影响较大。加载初期,各曲线斜率变化较小,呈现出一定的线性特征;之后,斜率有所降低,发生软化,各曲线分散开来;随着加载的继续进行
20、,曲线斜率明显上升,不久后试样发生屈服,动态屈服强度随应变率的升高也相应地增加,最终失效断裂。此外,可以看出,加载初期各应变率下应力-应变曲线的走势稳定,加载后期应力-应变曲线的振荡较明显。Hu 等17的动态压缩实验研究中也出现过相似的情况,这表征材料内部已经出现微观损伤。2.3 应变率相关性Y基于环氧树脂玻璃钢动态拉伸应力-应变曲线得到的拉伸强度等拉伸力学参数如表 2 所示。以准静态(应变率为 0.001s1)的力学性能为参照,应变率为 1128、1366、1547、1735 和 1840s1时的拉伸强度分别增长了 0.08%、0.25%、1.38%、4.29%和 7.85%,说明拉伸强度与
21、应变率正相关。为定量描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能的增强,引入动态增强因子(dynamicincreasingfactor,DIF)。拉伸强度的动态增强因子即为动态拉伸强度与静态拉伸强度之比,其对数形式的表达式为(a)1 128 s1(b)1 366 s1(d)1 735 s1(c)1 547 s1(e)1 840 s1图6动态拉伸失效模式Fig.6Failuremodesofspecimensunderdynamictensileloading600Stress/MPa5004003000.010.020.03Strain0.0420010001 128 s11 366 s11 54
22、7 s11 735 s11 840 s1图7动态拉伸加载下试样的应力-应变曲线Fig.7Stress-straincurvesofspecimensunderdynamictensileloading第37卷乔井彦等:环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性第3期034102-5Y=Alg(0)+B(5)0Y式中:A、B 均为材料参数;为参考应变率,取 0.001s1。由材料动态增强因子的拟合曲线(图 8)可得其拉伸强度的动态增强因子,表达式为Y=0.33lg(0)1.02(6)2.4 环氧树脂玻璃钢的微观损伤扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM)是复合材料微
23、观失效分析的重要手段18,本研究采用飞纳 PhenomoPro 台式高分辨率 SEM 对试验前后的试样进行微观观测。图 9 显示了实验前试样表面的原始形貌。可见,纤维交错编织并保持完整,树脂基体与纤维束接触紧密,试样没有因切割加工而发生结构性破坏。图 10 给出了准静态拉伸载荷作用后断面的典型观测结果。可以看出,准静态拉伸载荷引起的材料失效模式具有一定的相似性,断面处存在大量从基体中拔出的裸露的纤维,而镶嵌在基体中的纤维已经脱粘。试样失效主要表现为纤维被拔出后断裂,拉伸载荷的主要承担者是纤维。拉伸载荷作用下诸多纤维被拔出,可以推断,纤维与树脂基体的脱粘使得纤维易从树脂基体中拔出。图 11 给出
24、了动态拉伸载荷作用后断面的典型观测结果。从图 11 中可以看出,纤维束较为平整,发生脆性断裂19,而非纤维拔出,因而动态拉伸时基体和-纤维的界面断裂韧度更高2021,纤维难以从基体中拔出。图 11(d)中十分粗糙的纤维表面附着许多基体碎片,也表征了在高应变率条件下环氧树脂对玻璃纤维的约束作用增强,与阮班超等20的研究结论一致。表 2 不同应变率下环氧树脂玻璃钢的拉伸力学参数Table 2 Tensile mechanical properties of glass fiberreinforced plastics at various strain ratesStrainrate/s1Tens
25、ilestrength/MPaFailurestrain/%0.001526.744.571128527.153.581366528.043.471547533.993.511735549.333.541840568.094.122.0DIF of strength1.61.20.81 0008001 200 1 400Strain rate/s11 600 1 800 2 000 2 200 2 4000.40ExperimentModel图8拉伸强度动态增强因子拟合曲线Fig.8DIFfittingcurveoftensilestrengthFiberEpoxy resin matrix3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 环氧树脂 玻璃钢 静态 拉伸 力学 特性
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。