CN108204918A - 一种复合材料动态剪切试验方法 - Google Patents

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李彦斌
张培伟
王猛
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Abstract

本发明公开了一种复合材料动态剪切试验方法，属于材料技术领域，包括如下步骤：1)将复合材料按照各个材料主方向加工成凸字型试样；2)将试样安装在霍普金森压杆上进行动态加载，并根据实验过程中记录的入射应变信号、反射应变信号和透射应变信号计算出试样的抗剪强度与应变率。本发明无需另外加工夹具，采用现有的霍普金森压杆即可完成对复合材料各方向剪切力学性能的测量，节约试验成本，并且有效地避免了因机械连接对霍普金森压杆测量精度的影响；此外，复合材料凸字型试样具有对称形式且底部设置有连接区域，因此能保证在加载过程中试样发生剪切破坏。

Description

一种复合材料动态剪切试验方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种复合材料动态剪切试验方法。
背景技术
复合材料在航空航天领域应用十分广泛，且飞行器结构长期服役于动载环境中，据研究表明复合材料具有明显的应变率效应，即材料的强度、刚度随着应变率的变化而改变。
因此研究复合材料在动态加载条件下的力学性能对飞行器结构的设计尤为重要，复合材料动态剪切力学性能是其中重要的组成部分。
CN203643279U公开的“一种材料动态剪切性能的测量装置”，通过霍普金森压杆对测试装置进行加载，进而对试样进行剪切加载。由于试样与工装、工装与霍普金森压杆之间存在接触关系，应力波在接触面上存在入射、透射及反射，最终导致测试结果精度的降低。CN107063892A公开的“一种利用霍普金森压杆计算混凝土动态抗剪强度的方法”，提到的混凝土试样为圆柱形，为了实现剪切加载，在试样与霍普金森压杆接触面上采用台阶设计，该方法采用的是非对称的单面剪切加载，在加载工程中试样在剪切面上发生复合型失效，使得测试结果存在较大误差。
因此，工程中亟需一种准确测量复合材料动态剪切力学性能的试验方法。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种复合材料动态剪切试验方法，该方法采用对称的凸字型复合材料试样，且无需另外加工夹具采用现有的霍普金森压杆即可完成对复合材料各方向剪切力学性能的测量，具有测试精度高等特点。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合材料动态剪切试验方法，包括如下步骤：
1)将复合材料按照各个材料主方向加工成凸字型试样；
2)将试样安装在霍普金森压杆上进行动态加载，采用霍普金森压杆对试样进行加载，并根据实验过程中记录的入射应变信号εi(t)、反射应变信号εr(t)和透射应变信号εt(t)计算出试样的抗剪强度、剪切应变和剪切应变率。
进一步的，步骤1)中，所述的凸字型试样中设置有两个剪切区域，顶部设置有凸台，底部设置有连接区域；当测试复合材料层间剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向为y轴方向；当测试复合材料面内剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向与xy平面垂直；当测试复合材料面外剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向与霍普金森压杆的轴线方向平行，即x轴方向。
进一步的，剪切应力表示为：
式中：F为作用在凸字形试件两侧的平均载荷，F＝F1+F2；F1为入射杆作用在凸字型试件上的载荷，可根据实验过程中入射杆上记录的应变信号计算得到F1＝A×E×[εi(t)+εr(t)]；F2为透射杆作用在凸字型试件上的载荷，可根据实验过程中透射杆上记录的应变信号计算得到F2＝A×E×εt(t)；A为霍普金森压杆截面积；Aτ为凸字型试样单侧剪切区域的截面积，Aτ＝w×l；w为试样的厚度；l为试样沿剪切方向上剪切区域的长度；E为霍普金森压杆弹性模量；
进一步的，当试件发生破坏时，其剪切应力取极大值，即为材料的抗剪强度：
τf＝max(τ)。
进一步的，剪切应变表示为：
式中：γ为剪切应变；d为剪切区域的宽度；S1为凸字型试件与入射杆接触处的位移，可根据实验过程中入射杆上记录的应变信号计算得到S2为凸字型试件与透射杆接触处的位移，可根据实验过程中透射杆上记录的应变信号计算得到c0为应力波在霍普金森压杆中的传播速度。
剪切应变率表示为：
式中：d为剪切区域的宽度。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种复合材料动态剪切试验方法，无需另外加工夹具，采用现有的霍普金森压杆即可完成对复合材料各方向剪切力学性能的测量，节约试验成本，并且有效地避免了因机械连接对霍普金森压杆测量精度的影响；此外，复合材料凸字型试样具有对称形式且底部设置有连接区域，因此能保证在加载过程中试样发生剪切破坏。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为凸字型剪切试样；
图3为剪切区域局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
如图1-3所示，霍普金森压杆1、凸字型试样2、试样中两个剪切区域3、试样顶部凸台4和试样底部连接区域5。
一种复合材料动态剪切试验方法，包括如下步骤：
1)将复合材料按照各个材料主方向加工成凸字型试样；
2)将试样安装在霍普金森压杆上进行动态加载，并根据实验过程中记录的入射应变信号、反射应变信号和透射应变信号计算出试样的抗剪强度与剪切应变率。
步骤1)中将复合材料按照各个材料主方向加工成凸字型试样，试样中设置有两个剪切区域3，顶部设置有凸台4，底部设置有连接区域5；当测试复合材料层间剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向为y轴方向；当测试复合材料面内剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向与xy平面垂直；当测试复合材料面外剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向与霍普金森压杆的轴线方向平行，即x轴方向。
步骤2)中采用霍普金森压杆1对试样进行加载，并根据实验过程中记录的入射应变信号εi(t)、反射应变信号εr(t)和透射应变信号εt(t)计算出试样的抗剪强度、剪切应变和剪切应变率；剪切应力可表示为：
式中：F(单位：N)为作用在凸字形试件两侧的平均载荷，F＝F1+F2；F1(单位：N)为入射杆作用在凸字型试件上的载荷，根据实验过程中入射杆上记录的应变信号计算得到F1＝A×E×[εi(t)+εr(t)]；F2(单位：N)为透射杆作用在凸字型试件上的载荷，根据实验过程中透射杆上记录的应变信号计算得到F2＝A×E×εt(t)；A(单位：mm2)为霍普金森压杆截面积；Aτ(单位：mm2)为凸字型试样单侧剪切区域的截面积，Aτ＝w×l；w(单位：mm)为试样的厚度；l(单位：mm)为试样沿剪切方向上剪切区域的长度；E(单位：MPa)为霍普金森压杆弹性模量。
当试件发生破坏时，其剪切应力取极大值，即为材料的抗剪强度：
τf＝max(τ)；
剪切应变表示为：
式中：γ为剪切应变；d(单位：mm)为剪切区域的宽度；S1(单位：mm)为凸字型试件与入射杆接触处的位移，可根据实验过程中入射杆上记录的应变信号计算得到S2(单位：mm)为凸字型试件与透射杆接触处的位移，可根据实验过程中透射杆上记录的应变信号计算得到c0(单位：mm/s)为应力波在霍普金森压杆中的传播速度。
剪切应变率可表示为：
式中：d(单位：mm)为剪切区域的宽度。
实施例1
一种复合材料动态层间剪切试验方法，包括以下步骤：
步骤1：将复合材料加工成图2所示的凸字型，且试样内复合材料铺层厚度方向为y轴方向，图3所示的剪切区域的尺寸为l＝5mm，w＝16mm，d＝1mm；
步骤2：将试样安装在37mm直径的霍普金森压杆上进行动态加载，并根据实验过程中记录的入射应变信号εi(t)、反射应变信号εr(t)和透射应变信号εt(t)计算出试样的抗剪强度、剪切应变和剪切应变率。剪切应力可表示为：
式中：A为霍普金森压杆截面积，Aτ为凸字型试样的单侧剪切区域的截面积，Aτ＝w×l＝16mm×5mm＝80mm2；E为霍普金森压杆弹性模量，E＝200×103MPa。
当试件发生破坏时，其剪切应力取极大值，即为材料的抗剪强度：
τf＝max(τ)＝671665×max[εi(t)+εr(t)+εt(t)]MPa。
剪切应变表示为：
式中：c0为应力波在霍普金森压杆中的传播速度，c0＝5×106mm/s。
剪切应变率可表示为：

Claims (6)

1.一种复合材料动态剪切试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将复合材料按照各个材料主方向加工成凸字型试样；
2)将试样安装在霍普金森压杆上进行动态加载，采用霍普金森压杆对试样进行加载，并根据实验过程中记录的入射应变信号εi(t)、反射应变信号εr(t)和透射应变信号εt(t)计算出试样的抗剪强度、剪切应变和剪切应变率。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料动态剪切试验方法，其特征在于：步骤1)中，所述的凸字型试样中设置有两个剪切区域，顶部设置有凸台，底部设置有连接区域；当测试复合材料层间剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向为y轴方向；当测试复合材料面内剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向与xy平面垂直；当测试复合材料面外剪切力学性能时，试样内复合材料铺层厚度方向与霍普金森压杆的轴线方向平行，即x轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料动态剪切试验方法，其特征在于：剪切应力表示为：
式中：F为作用在凸字形试件两侧的平均载荷，F＝F1+F2；F1为入射杆作用在凸字型试件上的载荷，根据实验过程中入射杆上记录的应变信号计算得到F1＝A×E×[εi(t)+εr(t)]；F2为透射杆作用在凸字型试件上的载荷，根据实验过程中透射杆上记录的应变信号计算得到F2＝A×E×εt(t)；A为霍普金森压杆截面积；Aτ为凸字型试样单侧剪切区域的截面积，Aτ＝w×l；w为试样的厚度；l为试样沿剪切方向上剪切区域的长度；E为霍普金森压杆弹性模量。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料动态剪切试验方法，其特征在于：
当试件发生破坏时，其剪切应力取极大值，即为材料的抗剪强度：
τf＝max(τ)。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料动态剪切试验方法，其特征在于：
剪切应变表示为：
式中：γ为剪切应变；d为剪切区域的宽度；S1为凸字型试件与入射杆接触处的位移，可根据实验过程中入射杆上记录的应变信号计算得到S2为凸字型试件与透射杆接触处的位移，可根据实验过程中透射杆上记录的应变信号计算得到c0为应力波在霍普金森压杆中的传播速度。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料动态剪切试验方法，其特征在于：
剪切应变率表示为：
式中：d为剪切区域的宽度。
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