1、46玻璃鋼復合材料拉拉疲勞性能試驗方法及其改進2009年9月玻璃鋼復合材料拉一拉疲勞性能試驗方法及其改進潘利劍1,靳交通1,彭超義2,曾競成2(1.株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007;2.國防科學技術大學航天與材料工程學院,湖南長沙410073摘要:對玻璃鋼復合材料疲勞性能試驗夾具以及試樣尺寸進行了改進設計,提出了開孔拉伸式啞鈴形玻璃鋼疲勞性能試驗方法。采用有限元分析方法分析了試樣應力分布,并對試樣結構進行了優化設計。采用這一新的試驗方法對玻璃鋼復合材料在兩種不同應力水平下的疲勞性能進行了試驗。試驗結果顯示,所有被檢測試樣都在試樣試驗區破壞,驗證了改進后的試驗方法的可靠性。關

2、鍵詞:玻璃鋼復合材料;疲勞壽命;疲勞試驗方法;有限元分析中圖分類號:TB332文獻識別碼:A文章編號:10030999(2009050046041前言復合材料的疲勞特性決定了復合材料使用的可靠性和安全性。因此,研究復合材料的疲勞損傷壽命具有重要工程實際意義【l。J。復合材料的疲勞壽命長于金屬材料MJ。為了減少疲勞試驗加載次數,節省試驗時間,必須提高載荷,碳纖維增強復合材料最大疲勞載荷可到其靜強度的80%¨J,玻璃纖維增強復合材料的最大疲勞載荷也通常達到其靜強度的60%r6,在較大應力水平疲勞試驗時,玻璃鋼疲勞試驗載荷很大。然而在現有的“玻璃纖維平板拉一拉疲勞性能試驗方法”的標準中r7

3、|,試驗片兩端由夾具握持,若夾持力太大,容易將試驗片夾碎;若減小夾持力,在較大循環拉伸載荷作用下,夾頭與試驗片之間極易打滑,且夾持拉伸會在試樣試驗區產生彎曲力矩,使試驗片提前發生破壞哺J,測得的疲勞壽命偏小。本文針對玻璃鋼復合材料樣條疲勞試驗存在的問題對試驗片形狀與尺寸進行了改進設計,并通過試驗片應力分布進行了有限元分比,對試驗片尺寸進行了優化設計,為減小夾具本身帶來的影響,盡可能使試驗區得到純應力,避免其它形式的破壞保證試驗的成功率。2疲勞試樣的改進設計為解決試驗片在拉伸循環載荷作用下,鉗口下打滑的問題,夾具由原來的鉗口夾持改為在試驗片上開孔,穿人銷釘拉伸。為防止和盡量消除彎曲力矩的影響,孔

4、中心連線與試驗區中心線一致,以使試驗區上盡可能得到純拉應力,并使應力盡可能均勻分布。重新設計后玻璃鋼復合材料拉伸疲勞加載夾具與試樣裝配圖如圖1所示,夾具中心有一直徑為30mm的大孔和四個4,:fL,大孔用來穿人銷釘對試樣加載,其余四個孔只用來適當地保護試樣,每個銷釘都不會對試樣施加夾持力。圖1疲勞試樣與夾具裝配圖考慮到試樣開孔處拉力與剪力同時存在且在孑L 邊緣產生應力集中,為了防止試樣在試件開孔處發生破壞,適當放大了啞鈴形試樣,包括試樣長度、寬度和倒角都進行了放大,此外,在試樣開孔處上下兩表面各鋪設5層雙軸布進行了局部補強。為了更能反映玻璃鋼復合材料疲勞損傷擴展并得到更為真實的疲勞特性,將試驗

5、區改成了直條試樣試驗區。試樣在拉伸載荷作用下,由于在試樣倒角處試樣形面發生突變,倒角處會產生比較大的剪切力,當剪切力大于玻璃鋼復合材料的層間剪切強度時,倒角處將首先發生剪切破壞。為了防止在試樣倒角處以及靠近試驗區開孔邊發生剪切破壞使得收稿El期:2009-05-25基金項目:國家863項目(2007AA032563;湖南省重大科技專項(No.2006GKl002作者簡介:潘利劍(1980.,男,博士,主要從事復合材料風電葉片結構設計與分析方面的工作。 2009年第5期玻璃鋼/復合材料47試樣從開孔處拔出,在試樣倒角處鋪設了相同材料體系玻璃鋼復合材料對倒角進行加強并且鋪層一直延伸到試樣末端。對于

6、試樣開孔處以及在試樣倒角處的加強,采用了同樣材料體系的玻璃鋼復合材料并與試樣一起固化成型,保證了試樣加強的可靠性。改進后的試樣結構如圖2所示。圖2改進后的試樣形狀與尺寸(單位:ram3有限元分析與優化設計利用有限元分析軟件ANSYS,采用實體單元solid46模擬計算改進后的玻璃鋼復合材料試樣在拉伸載荷作用下的應力分布。材料力學性能如表1所示。試樣模型網格與坐標系如圖3所示。表1玻璃鋼復合材料力學性能圖3試樣模型網格與坐標系為了考察倒角加強厚度以及玻璃鋼復合材料鋪設方法對試樣應力分布的影響,分析了不設置倒角加強以及倒角加強厚度分別為2.4mm與3.6mm鋪設方向分別為00、±45。和

7、900試樣的應力分布。不設置倒角加強而僅采用夾開孔局部補強試樣X方向應力叮。分布云圖如圖4所示。面內剪切應力下。,分布云圖如圖5所示。圖4結果表明,開孔加強后在試驗區拉應力分布均勻,滿足拉伸疲勞試驗要求。圖5結果顯示,在倒角處產生較大的剪切力,最大剪切力為43.43MPa,這將超過玻璃鋼復合材料的層間剪切強度,使試樣在此首先發生剪切破壞,裂紋擴展后極易使得試樣從開孔處拔出并導致試驗失敗。圖4試樣盯,分布云圖圖5試樣下。分布云圖表2為倒角加強層厚度分別為2.4mm和3.6mm 的試樣面內剪切應力分析結果。表2結果表明,與不設置倒角加強樣片相比,倒角加強后倒角處的面內剪切力明顯下降,且加強厚度增大

8、,最大面內剪切應力減小,倒角加強鋪設角度增大,面內剪切力增大。因此,為了防止試樣事先在倒角處發生剪切破壞,可適當增加倒角加強層厚度并減小倒角鋪層角度。表2加強層厚度為2.4mm分析結果圖6和圖7分別為倒角加強層厚度為2.4mm 和3.6mm時,試驗區縱向拉應力or。的分布曲線。圖6和圖7的結果表明,試樣在試驗區中間位置應力最大且各位置拉應力基本一致,沿長度分布均勻,從而保證了試驗結果的有效性。在與倒角連接處,縱向拉應力相對較小但變化范圍很小,且加強層厚度越大,加強層鋪纖維設角度越大,縱向拉應力變化越小,試樣試驗區縱向拉應力仃,分布越均勻。圖6倒角加強2.4mnur,分布 48玻璃鋼復合材料拉.

9、拉疲勞性能試驗方法及其改進2009年9月 -50.403U-20一1001020304.050X/mm圖7倒角加強3.6mmo"。分布4試驗結果與分析根據有限元分析結果并綜合考慮縱向拉應力分布與倒角處最大剪切力,選擇了倒角處加強厚度為3.6mm,纖維鋪設角為±45。的試樣設計方案。采用了同種玻璃纖維兩種不同樹脂體系玻璃鋼復合材料共制備了4塊大小相同的玻璃鋼板,并按尺寸切割成試樣,如圖8所示。 圖8疲勞試樣全部試驗在本公司技術中心完成,所采用疲勞試驗設備如圖9所示。玻璃鋼復合材料疲勞試驗方法的有效性。圖10試樣疲勞破壞形貌表l和表2分別為兩種不同樹脂體系玻璃鋼復合材料在參考靜

10、強度的45%和40%應力水平下的疲勞壽命試驗結果。試樣編號11.1表示為第一種應力水平第一種樹脂體系材料玻璃鋼復合材料第個武樣。表1應力水平45%疲勞壽命 .苧三.。黧萋警蘭,.,。,滑移阻力的循環降低。多向層合板的疲勞壽命。.苧警量竺摯尊簍型方苧:鼉譬!堡整?!曼爹琶、磊;車蒿羞蓑箬茹。,本擊矗茹藁孟孬葚磊孚妄二號夸皇毒翟應毒蘭至鑾,蔓警婆磐委要要量波。應磊量,也磊磊子某矗矗痞果鬲哥茹性。力水平分別取玻璃鋼復合材料參考靜強度750MPa:一/'。:?！摈?。:15氣三竺蘭簍耋毖6急;憊x二鼉簍,墨耄耄。萬.-.1-設施試驗片及夾具解決了拉伸方法在鉗翌嘗二萋警梨試魯竺萋萎望黧竺纂冀鐾至口下并落茇茹贏薹器要爵菇:;姜手曇要竺孕要嬰姿麓墨芝簍竺竺囂翌套魯三葚譬