CN102252896A - 一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样 - Google Patents

一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样 Download PDF

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郑锡涛
李宇徒
屈天骄
范献银
成礼南
罗贵
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Abstract

本发明提出了一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，试样的标距段横截面为正方形，正方形边长至少为15mm，试样端部横截面为长方形，长宽比为2∶1。该试样的尺寸适于机械加工，能够适用于现有的测试夹具，并且试验表明，此种尺寸的试样在加工时不容易断裂，可以有效地减少试样边界应力和层间分层，降低初始损伤率，能够使试样的拉压性能测试精度有较大的提高，同时还具有很优的效费比。

Description

一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样
技术领域
本发明涉及复合材料性能测试领域，具体为一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样。
背景技术
目前，用于测试复合材料层合厚板拉压性能的试样类型有方形截面试样，腰形试样，I形截面试样，C形截面试样和闭环试样等。如在公开文献中可以检索到，英国国家物理试验室使用的一种I型截面试样，试样尺寸为：试样宽度5mm，标距段长10mm，标距段曲率半径5mm，标距段中部横截面边长5mm。这种试样的主要问题在于：由于I型截面试样的标距段侧剖面为曲面，无法粘接应变片，所以需要采用特殊设计的夹具，不具有普遍适用性；同样因为标距段侧剖面为曲面，导致其标距段的应力状态不均匀；按照上述尺寸加工试样，由于标距段截面边长较小，导致在试样加工时断裂率较高。
所以目前设计的用于测试复合材料层合厚板拉压性能的试样，其关键在于设计试样尺寸，既要保证试样在加工时不容易断裂，又能满足加工条件和测试要求，还要满足经济性要求，这主要是因为复合材料的制造、加工费用极其昂贵。
发明内容
本发明提出了一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，通过试验验证，采用该试样能够实现既保证厚板试样在加工时不容易断裂，又满足加工条件和测试要求，且还满足经济性要求的目的。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：标距段横截面为正方形，正方形边长至少为15mm，试样端部横截面为长方形，长宽比为2∶1。
本发明的一项优选技术方案，其特征在于：标距段横截面边长范围为15mm～20mm。
本发明的一项优选技术方案，其特征在于：标距段横截面边长为15mm。
本发明的一项优选技术方案，其特征在于：标距段与端部采用倒角过渡，倒角半径为3mm～5mm。
本发明的一项优选技术方案，其特征在于：标距段长度为5mm～20mm。
本发明的一项优选技术方案，其特征在于：试样端部横截面长度为30mm，宽度为15mm。
有益效果
本发明结合现有的复合材料加工技术，设计了一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，该试样的尺寸适于机械加工，能够适用于现有的测试夹具，并且试验表明，此种尺寸的试样在加工时不容易断裂，可以有效地减少试样边界应力和层间分层，降低初始损伤率，能够使试样的拉压性能测试精度有较大的提高，同时还具有很优的效费比。
附图说明
图1：本发明的主视图；
图2：本发明的侧视图；
图3：本发明的A-A剖面图；
其中：L为端部横截面长度；B为端部横截面宽度；H为厚板试样厚度；R为倒角半径；W为端部厚度；S为标距段长度；D为标距段横截面边长。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
实施例1：
本实施例中，采用的复合材料为T700/BA9916。两侧面直腰形试样为对称结构，试样端部中心轴线与试样标距段中心轴线重合。按照本发明提出的试样尺寸加工3种尺寸的两侧面直腰形试样，每种尺寸分别加工了6组测试试样件，每组6个，分别为：
  L   B   H   R   W   S   D   铺层方式
 尺寸1   30mm   15mm   20mm   3mm   4.5mm   5mm   15mm   [90]160
 尺寸2   30mm   15mm   30mm   5mm   5mm   10mm   15mm   [90]240
 尺寸3   40mm   20mm   40mm   5mm   5mm   20mm   20mm   [90]320
同时为了进行对比，按照公开的英国国家物理试验室使用的I型截面试样尺寸加工6组测试试样件，每组6个(对照尺寸)。
统计上述尺寸1、尺寸2、尺寸3和对照尺寸的试样件加工时的断裂率，并通过C扫描得到试样件加工后的初始损伤面积，结果为：
  断裂率   初始损伤面积/端部横截面面积
  尺寸1   16.7％   20.32％
  尺寸2   16.7％   20.51％
  尺寸3   13.8％   16.73％
  对照尺寸   41.6％   40.23％
从上述结果可以明显看出，采用本发明提出的试样尺寸做为两侧面直腰形试样的加工尺寸，可以明显降低试样的断裂率及初始损伤率(即初始损伤面积/端部横截面面积)。
从理论分析上可以认为，标距段横截面边长越大，加工时试样的断裂率越小，但是由于复合材料制造、加工费用昂贵，目前一公斤碳纤维复合材料造价在2万5至3万元人民币，所以不可能将试样标距段横截面做得过大，为此本实施例中做了如下对比，按照下列尺寸加工了3种尺寸的两侧面直腰形试样，每种尺寸分别加工了6组测试试样件，每组6个：
  L   B   H   R   W   S   D   铺层方式
 尺寸4   45mm   30mm   20mm   5mm   5mm   10mm   30mm   [90]160
 尺寸5   55mm   40mm   30mm   5mm   5mm   10mm   40mm   [90]240
 尺寸6   95mm   80mm   40mm   5mm   5mm   20mm   80mm   [90]320
统计上述尺寸4、尺寸5、尺寸6的试样件加工时的断裂率，并通过C扫描得到试样件加工后的初始损伤面积，结果为：
  断裂率   初始损伤面积/端部横截面面积
  尺寸4   11.1％   13.54％
  尺寸5   8.3％   10.97％
  尺寸6   2.8％   6.45％
从上述结果可以看出，尺寸4、尺寸5、尺寸6试样与尺寸1、尺寸2、尺寸3试样在加工断裂率和初始损伤率上均比较接近，说明试样标距段横截面边长在15mm～20mm的基础上进一步增大，对试样加工断裂率和初始损伤率的影响较小。
但复合材料加工的费用是以体积或质量计算的，如尺寸4试样的初始加工体积是尺寸1试样的3倍，尺寸6试验的初始加工体积更是到达尺寸3试样的9.5倍，可以看出加工费用的增长速度很快，进一步说明试样标距段横截面边长在15mm～20mm的基础上增大后，其所需费用快速增大，而试样加工断裂率和初始损伤率变化不大。因此效费比较优的标距段横截面边长范围是15mm～20mm，且优选15mm。
实施例2：
为了验证本发明提出的试样适用于各种复合材料，在本实施例中，又分别采用了T300/QY8911和HT7/5228两种复合材料进行试样加工对比。
采用T300/QY8911复合材料按照与实施例1中相同的尺寸(包括尺寸1、尺寸2、尺寸3和对照尺寸)，每个尺寸加工了6组测试试样件，每组6个；按照与实施例1中相同的尺寸(包括尺寸4、尺寸5、尺寸6)，每个尺寸加工了6组测试试样件，每组6个。
统计所有试样件加工时的断裂率，并通过C扫描得到试样件加工后的初始损伤面积，结果为：
  断裂率   初始损伤面积/端部横截面面积
  尺寸1   13.8％   20.13％
  尺寸2   13.8％   20.21％
  尺寸3   13.8％   14.79％
  对照尺寸   38.8％   39.81％
  尺寸4   11.1％   13.14％
  尺寸5   8.3％   10.84％
  尺寸6   2.7％   6.17％
采用HT7/5228复合材料也按照与实施例1中相同的尺寸(包括尺寸1、尺寸2、尺寸3和对照尺寸)，每个尺寸加工了6组测试试样件，每组6个；按照与实施例1中相同的尺寸(包括尺寸4、尺寸5、尺寸6)，每个尺寸加工了6组测试试样件，每组6个。
统计所有试样件加工时的断裂率，并通过C扫描得到试样件加工后的初始损伤面积，结果为：
  断裂率   初始损伤面积/端部横截面面积
  尺寸1   19.4％   21.23％
  尺寸2   19.4％   21.59％
  尺寸3   16.7％   15.92％
  对照尺寸   41.6％   42.38％
  尺寸4   13.8％   13.74％
  尺寸5   11.1％   11.21％
  尺寸6   5.5％   6.93％
从上述两种复合材料的结果可以看出，本发明提出的两侧面直腰形试样尺寸具有普遍适用性。

Claims (6)

1.一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：标距段横截面为正方形，正方形边长至少为15mm，试样端部横截面为长方形，长宽比为2∶1。
2.根据权利要求1所述的一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：标距段横截面边长范围为15mm～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：标距段横截面边长为15mm。
4.根据权利要求1至3中任意所述的一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：标距段与端部采用倒角过渡，倒角半径为3mm～5mm。
5.根据权利要求4所述的一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：标距段长度为5mm～20mm。
6.根据权利要求5所述的一种测试复合材料层合厚板拉压性能的两侧面直腰形试样，其特征在于：试样端部横截面长度为30mm，宽度为15mm。
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