1、引言
隨著復(fù)合材料在航空、汽車和船舶等工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其力學(xué)性能的研究變得日益重要。單向復(fù)合材料作為復(fù)合材料的基本組成部分，其拉伸性能尤為關(guān)鍵。然而，在實(shí)際靜力或者疲勞拉伸試驗(yàn)中，由于多種因素導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題經(jīng)常使試樣在夾持區(qū)域附近過早失效，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
圖1 單向復(fù)合材料試樣軸向拉伸載荷下的常見失效模式
近日，復(fù)合材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《Composites Part B》發(fā)表了一篇題為“Reducing stress concentrations in static and fatigue tensile tests on unidirectional composite materials: A review”的論文。該研究由魯汶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)完成，文章采用試驗(yàn)和有限元仿真分析的方法分析了單向復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)中存在的應(yīng)力集中問題及其原因，并給出了減少應(yīng)力集中的措施和方法。
2、研究?jī)?nèi)容及方法
在加強(qiáng)片設(shè)計(jì)方面，該研究探討了不同加強(qiáng)片形狀、長(zhǎng)度、厚度和幾何形狀對(duì)應(yīng)力分布的影響。通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)使用低模量材料與高模量材料相結(jié)合的混合加強(qiáng)片可以有效降低應(yīng)力集中，提高碳纖維增強(qiáng)拉擠桿的失效應(yīng)變和疲勞壽命。同時(shí)，加強(qiáng)片長(zhǎng)度應(yīng)足夠長(zhǎng)以避免夾緊壓力引起的滑動(dòng)，加強(qiáng)片厚度應(yīng)足以保護(hù)試樣免受夾具鋸齒表面的影響。
圖2 不同的層壓板丟層設(shè)計(jì)
圖3 不同的加強(qiáng)片形狀
在膠黏劑選擇方面，分析了膠黏劑模量對(duì)試樣性能的影響。結(jié)果表明，增加高模量膠黏劑的厚度可以提高拉伸強(qiáng)度，而低模量膠黏劑則相反。因此，在選擇膠黏劑時(shí)，需要綜合考慮其模量與試樣的匹配性。
圖3 不同的加強(qiáng)片邊緣設(shè)計(jì)
在試樣幾何形狀方面，該研究比較了矩形、蝶形、狗骨形試樣的拉伸性能。雖然試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建議使用矩形試樣，但蝶形可確保在試樣中間產(chǎn)生更高的應(yīng)力。然而，這種形狀可能引起縱向分裂，導(dǎo)致過早失效。因此，在選擇試樣幾何形狀時(shí)，需要權(quán)衡其優(yōu)缺點(diǎn)。
圖4 幾種非矩形拉伸試樣
在測(cè)量裝置方面，該研究強(qiáng)調(diào)了夾持位置和夾持壓力的重要性。通過調(diào)整試樣夾持位置和夾持壓力，可以降低應(yīng)力集中并提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，試樣的不對(duì)中和傾斜也會(huì)對(duì)拉伸性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前必須確保試樣和夾持器的對(duì)準(zhǔn)。
圖5 幾種夾持方式
小結(jié)：
該研究通過綜合分析各種因素對(duì)應(yīng)力集中的影響，提出了一系列有效的措施和方法來減少單向復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)力集中問題。這些措施包括優(yōu)化試樣設(shè)計(jì)、選擇合適的膠黏劑、改進(jìn)試樣幾何形狀和調(diào)整測(cè)試設(shè)置等。通過實(shí)施這些措施，可以顯著提高拉伸試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為單向復(fù)合材料的力學(xué)性能評(píng)估提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
此外，該研究還指出了一些需要進(jìn)一步探討的問題和未來研究方向，如開發(fā)新型夾持器以降低應(yīng)力集中、研究不同材料體系下的應(yīng)力集中現(xiàn)象等。這些問題的解決將有助于進(jìn)一步完善單向復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)技術(shù)，推動(dòng)復(fù)合材料領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。
表1 單向復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)建議
原始文獻(xiàn)：
Babak Fazlali, Stepan V. Lomov, Yentl Swolfs, Reducing stress concentrations in static and fatigue tensile tests on unidirectional composite materials: A review, Composites Part B: Engineering, Volume 273, 2024, 111215.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111215.
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135983682400026X
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