為了評(píng)估夾芯復(fù)合材料的缺口敏感性，可以采用ASTM D84541標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行夾層開孔壓縮（open-hole compression，OHC）測(cè)試。而近期，有關(guān)夾芯復(fù)合材料缺口靈敏度的第二種測(cè)試方法也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化：夾層開孔彎曲（open-hole flexure，OHF）測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)名為ASTM D84532。
在本文中，將概述這種最新的夾芯復(fù)合材料的缺口靈敏度測(cè)試方法，并與其他現(xiàn)有的復(fù)合材料缺口敏感性測(cè)試方法進(jìn)行了一些簡(jiǎn)要的比較。
也許要解決的第一個(gè)問題是，為什么有必要對(duì)夾芯復(fù)合材料進(jìn)行兩種缺口敏感性測(cè)試。首先，值得注意的是，復(fù)合材料層壓板有兩種開孔試驗(yàn)方法：一種用于拉伸載荷，ASTM D57663；而另一種用于壓縮載荷，ASTM D64844。
復(fù)合材料層壓板采用兩種缺口敏感性測(cè)試方法的主要原因是破壞模式的差異以及在拉伸和壓縮載荷下產(chǎn)生的缺口敏感性。夾芯復(fù)合材料通常受到彎曲載荷，從而產(chǎn)生拉伸加載面板和壓縮加載面板。當(dāng)使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板時(shí)，壓縮加載面板通常首先失效。
此外，夾芯復(fù)合材料用于壓縮載荷應(yīng)用，其在壓縮和彎曲載荷下的缺口強(qiáng)度通常是不同的。因此，即使失效主要發(fā)生在壓縮加載的面板中，也需要兩種單獨(dú)的測(cè)試方法。
新的夾層OHF測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)被指定為ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法，因?yàn)樗惶峁┝诵薷膴A芯長(zhǎng)梁彎曲測(cè)試方法ASTM D72495的補(bǔ)充說明，用于開孔夾芯試樣。在所有其他ASTM對(duì)復(fù)合層壓板和夾層復(fù)合材料的缺口靈敏度測(cè)試中，試樣寬度與孔直徑比為6:1。這一比例在航空航天復(fù)合材料領(lǐng)域已被廣泛接受，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生可接受的缺口強(qiáng)度降低，同時(shí)最大限度地減少位于中心的開口通孔和試樣邊緣之間的相互作用。
與夾層OHC測(cè)試樣品的情況一樣，使用直徑為12毫米的通孔，因此樣品寬度為72毫米。有趣的是，該試樣寬度與夾層長(zhǎng)梁彎曲試驗(yàn)方法中規(guī)定的75毫米寬度略有不同。原因是什么？使用75毫米的試樣寬度并保持6:1的寬徑比將需要12.5毫米直徑的通孔，而切削工具并不容易獲得。然而，請(qǐng)注意，當(dāng)根據(jù)美國(guó)慣例單位進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將一個(gè)0.5英寸直徑的孔加工成3.0英寸寬的試樣，其寬度與夾層長(zhǎng)梁彎曲試驗(yàn)方法中規(guī)定的寬度相同。夾芯復(fù)合材料OHC和OHF試樣具有相同的12毫米孔徑和72毫米試樣寬度，因?yàn)檫@兩種試驗(yàn)方法是在協(xié)調(diào)努力下開發(fā)的。
缺口靈敏度測(cè)試的選擇應(yīng)基于預(yù)期應(yīng)用中的主要載荷類型。
用于夾層OHF試驗(yàn)的四點(diǎn)彎曲載荷配置產(chǎn)生了均勻的彎矩和零剪力跨缺口內(nèi)跨，同時(shí)最大限度地減少了外層跨的剪力。在ASTM D7249中被指定為無缺口夾層彎曲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)配置的560毫米外支撐跨度和100毫米內(nèi)載荷跨度也用于夾層OHF測(cè)試。600毫米的總樣本長(zhǎng)度允許20毫米的樣本延伸超過外部支撐。
在標(biāo)準(zhǔn)化之前，進(jìn)行了測(cè)試和有限元分析，以研究?jī)?nèi)部荷載跨度長(zhǎng)度對(duì)開孔彎曲強(qiáng)度的影響。100毫米的內(nèi)部加載跨度長(zhǎng)度被確定為足以最小化開孔應(yīng)力集中和內(nèi)部加載頭之間的相互作用。
長(zhǎng)梁彎曲試驗(yàn)夾具（下圖）使用25毫米寬的平板加載塊加載夾芯試件。此外，可在加載塊和試樣之間使用橡膠壓力墊，以防止面板局部損壞。由于試樣中心主要存在12毫米的通孔，因此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)無切口夾層彎曲試驗(yàn)中的相關(guān)參數(shù)相對(duì)不敏感，如加載點(diǎn)的失效以及試樣邊緣粗糙或不均勻。然而，由于缺口對(duì)夾層試樣的強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，因此需要在不損壞夾芯試樣的情況下連續(xù)制備孔，以獲得有意義的結(jié)果。
值得注意的是，唯一可接受的故障是發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)面板上的孔處的故障。與所有其他復(fù)合材料缺口靈敏度測(cè)試一樣，開孔強(qiáng)度（在標(biāo)準(zhǔn)中稱為面層極限應(yīng)力）是使用試樣的總寬度計(jì)算的，而不考慮孔產(chǎn)生的減少面積。
在介紹了夾芯復(fù)合材料缺口測(cè)試的兩種標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法后，現(xiàn)在將重新討論之前關(guān)于夾芯復(fù)合材料需要進(jìn)行兩種缺口靈敏度測(cè)試的問題。在開發(fā)這些測(cè)試方法的同時(shí)，對(duì)每種夾芯測(cè)試方法進(jìn)行了大量的測(cè)試和分析。這些研究中使用的主要夾芯結(jié)構(gòu)由美國(guó)Hexcel的IM7/8552碳纖維/環(huán)氧樹脂交叉層面板組成，該面板粘合到12毫米厚、64kg/m3的Hexcel Nomex蜂窩芯上。
對(duì)有缺口和無缺口的試樣進(jìn)行測(cè)試，以確定夾芯OHF和OHC測(cè)試方法的缺口強(qiáng)度比。對(duì)每種條件進(jìn)行了三次重復(fù)測(cè)試，并將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化為無缺口夾層彎曲試樣的平均強(qiáng)度，如下圖所示。值得注意的是，彎曲載荷和壓縮載荷試驗(yàn)方法之間的基線無缺口強(qiáng)度和缺口強(qiáng)度差異很大，這證實(shí)了對(duì)兩種夾芯缺口靈敏度試驗(yàn)方法的必要性，并表明缺口靈敏度試驗(yàn)的選擇應(yīng)基于預(yù)期應(yīng)用中的主要載荷加載類型。
最后，對(duì)于所研究的夾芯結(jié)構(gòu)，缺口強(qiáng)度比（定義為缺口強(qiáng)度除以無缺口強(qiáng)度）對(duì)于兩種缺口夾芯測(cè)試方法是相似的：夾層OHF方法為0.46，夾層OHC方法為0.43。然而，這一觀察結(jié)果是基于單個(gè)夾層結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步研究，以確定其他材料和夾層結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生了類似的缺口強(qiáng)度比。
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