邱新新,常 紅

(太原科技大學(xué)工程力學(xué)系,太原030024)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用,但由于復(fù)合材料在受載前就具有各種各樣的初始缺陷及損傷,而這些缺陷(裂紋)的存在勢(shì)必影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度。因此,測(cè)量復(fù)合材料斷裂韌度是復(fù)合材料斷裂力學(xué)的重要內(nèi)容,也是了解復(fù)合材料抗斷裂性能的重要手段。

斷裂韌度的測(cè)試方法大多針對(duì)金屬材料及復(fù)合材料層間斷裂,如董雁瑾等[1]研究了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層間斷裂韌性測(cè)試方法,常紅[2]等利用光彈性貼片法實(shí)測(cè)正交異性雙材料界面裂紋斷裂參數(shù)。本文參考金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法(GB 4161-84)[3],采用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)與光彈實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,對(duì)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在裂紋與纖維方向垂直時(shí)的斷裂韌性進(jìn)行測(cè)試。利用圖像采集卡進(jìn)行光彈圖像實(shí)時(shí)采集,可以實(shí)時(shí)觀測(cè)裂紋尖端附近應(yīng)力變化,并能直觀判斷裂紋開(kāi)裂臨界狀況,得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)原理

正交各向異性板,單邊穿透直裂紋的三點(diǎn)彎曲試件如圖1所示(試件及裂紋尺寸如圖所標(biāo)示),當(dāng)裂紋與纖維方向垂直時(shí),并考慮試件加工及加載裝置的影響,其裂紋尖端呈現(xiàn)復(fù)合型應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力分量如下式表示[4-5]:

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣Fig.1 Three-points bending specimen

對(duì)于正交各向異性板,當(dāng)x,y軸與材料主方向重合時(shí),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式[6]為:

在光彈性貼片法中,條紋級(jí)次n能反映構(gòu)件測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變差:

式中,t為貼片厚度,fε為貼片材料應(yīng)變條紋值。

如主應(yīng)變 ε1,ε2以測(cè)試點(diǎn)的 εx,εy,τxy表達(dá),可得:

將式(1)-(4)代入式(6),得光彈條紋級(jí)數(shù)n與應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ,KⅡ的關(guān)系式:

如在臨界載荷所對(duì)應(yīng)的光彈條紋圖上取任意兩點(diǎn) γi,nj,θi(i=1,2),代入式 (7)即可算出材料斷裂韌性KIC.

2 實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料為模壓成型玻璃纖維/環(huán)氧單向板,纖維含量60%,試件加工參考金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),使用自制0.2 mm薄鋸片在垂直纖維方向預(yù)制裂紋。采用聚碳酸酯作為貼片材料,貼片厚度為1 mm,在貼片單側(cè)面鍍鋁膜以提高貼片反射率。加載系統(tǒng)為材料試驗(yàn)機(jī),如圖2所示,壓頭以恒定速度(0.02 mm/min)對(duì)試件加載,光彈采用反射式T型光路,光路如圖3所示。采用CA-CPE-3000圖像采集卡進(jìn)行光彈圖像連續(xù)采集。通過(guò)觀察條紋變化,可以直接觀察試件裂紋開(kāi)裂過(guò)程,開(kāi)裂前后圖像分別如圖4及圖5所示。利用采集到的圖像并結(jié)合P-V曲線(圖6),可以識(shí)別材料開(kāi)裂臨界點(diǎn)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 System of test equipment

圖3 T型光路圖Fig.3 T-light road map

圖4 裂紋開(kāi)裂前的圖像Fig.4 Image before cracking

圖5 裂紋開(kāi)裂后的圖像Fig.5 Image after cracking

圖6 P-V曲線Fig.6 P-V curve

2.2 數(shù)據(jù)及圖像處理

通過(guò)載荷位移曲線與光彈圖像對(duì)比分析,確定裂紋開(kāi)裂時(shí)的光彈圖像,臨界載荷P=4.810 9 kN,利用數(shù)字光彈性法[7]通過(guò)MATLAB編程[8],對(duì)彩色數(shù)字圖像進(jìn)行處理,得到等差條紋中心線(見(jiàn)圖7),玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的材料參數(shù)為EL=46 GPa,ET=11.4 GPa,νLT=0.33,νTL=0.09,GLT=5.3 GPa,貼片材料的應(yīng)變條紋值 fε=345.7 cm?μ ε/級(jí),在條紋骨架線上任選兩點(diǎn),利用公式(7)計(jì)算出材〗料斷裂韌度

3 分析與結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)材料端口邊緣觀察可知斷裂后為平斷口,裂紋的擴(kuò)展基本上是在平面應(yīng)變狀態(tài)下進(jìn)行的,而對(duì)裂尖的觀察可知材料沒(méi)有發(fā)生塑性變形,滿足了小范圍屈服的條件,因此可以獲得穩(wěn)定的斷裂韌度值。

圖7 光彈條紋骨架線Fig.7 Skeleton of photoelastic fringe

(2)從圖6可以看到,在裂紋開(kāi)裂后,載荷P下降,之后又繼續(xù)增大,試件仍具有承載能力。同金屬材料的P-V曲線有所不同。材料在彎曲作用下,裂紋沿纖維方向開(kāi)裂,并非沿原裂紋線方向開(kāi)裂,纖維和基體的界面阻止裂紋擴(kuò)展,此后的光彈圖像不再能正確反映裂尖附近的應(yīng)力場(chǎng)。

(3)在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合光彈貼片實(shí)驗(yàn),可以實(shí)測(cè)裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)變化以及裂紋開(kāi)裂臨界狀況,進(jìn)而求出材料的斷裂韌度值,是一種直接有效的測(cè)試方法。對(duì)復(fù)合材料斷裂韌性的測(cè)試,少有文獻(xiàn)報(bào)道。本文側(cè)重實(shí)驗(yàn)方法研究,其結(jié)果還有待大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

(4)試件的加工精度、加載裝置的調(diào)試以及數(shù)字圖像采集及處理方法是影響實(shí)驗(yàn)精度的主要因素,尤其是在復(fù)合材料試件上預(yù)制尖銳裂紋有一定的難度。

[1]董雁瑾,楊海升.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂韌性[J].材料研究學(xué)報(bào),1999,13(4):147-152.

[2]常紅,李俊林.光彈法實(shí)測(cè)正交異性雙材料界面裂紋斷裂參數(shù)[J].力學(xué)與實(shí)踐,2008,30(6):56-60.

[3]鋼鐵研究總院.金屬力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[4]SIH G C,PAIRS P C,IRWIN G R.On cracks in rectilinearly anisotropic bodies[J].International Journal of Fracture,1965,1(3):189-203.

[5]楊維陽(yáng),張少琴.關(guān)于各向異性纖維復(fù)合材料板裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的探討[J].太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),2000,21(4):263-269.

[6]劉錫禮,王秉權(quán).復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1984.

[7]雷振坤,云大真.數(shù)字光彈性法綜述[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2004,19(4):392-402.

[8]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.