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        含棉纖維冰的抗壓性能試驗(yàn)

        2016-09-22 01:21:11
        關(guān)鍵詞:冰柱棉纖維試驗(yàn)機(jī)

        黃 興

        (同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院,上海 200092)

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        含棉纖維冰的抗壓性能試驗(yàn)

        黃興

        (同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院,上海 200092)

        利用材料萬能試驗(yàn)機(jī),對棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%和12%的冰試樣進(jìn)行了應(yīng)變率為10-3/s~10-1/s的單軸壓縮試驗(yàn)。得到了一系列的應(yīng)力應(yīng)變曲線,研究了應(yīng)變率和棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:冰的抗壓強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性,添加棉纖維可以提高冰的抗壓強(qiáng)度和韌性。在10-3/s應(yīng)變率下,棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6%時(shí),冰的抗壓強(qiáng)度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減??;在10-1/s應(yīng)變率下,冰的抗壓強(qiáng)度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

        冰;棉纖維;單軸壓縮試驗(yàn);應(yīng)變率;應(yīng)力應(yīng)變

        0 引言

        航空飛行器在飛行時(shí)會遭遇各種惡劣天氣,其中,冰雹粒子的高速沖擊嚴(yán)重威脅近地飛行器的安全。飛行器從尚未起飛到對流層、平流層及其他大氣分布層的飛行過程中,都面臨著冰雹沖擊的威脅。近年來,冰雹損傷飛機(jī)事件頻發(fā)[1-3]。冰雹災(zāi)害來勢猛、沖擊強(qiáng)度大,以不同的形狀、大小和速度撞擊飛行器,尤其對迎風(fēng)面積大的風(fēng)擋處、機(jī)頭鼻錐、機(jī)翼前緣、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口、油箱、雷達(dá)整流罩和駕駛艙門等處的破壞最嚴(yán)重,甚至?xí)斐蔀?zāi)難性事故的發(fā)生[1]。研究冰雹沖擊航空飛行器,主要有試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法。冰雹高速沖擊試驗(yàn)可以直接觀察冰雹沖擊過程和靶的失效模式,但是試驗(yàn)過程復(fù)雜、耗時(shí)較長,并且成本很高。有限元數(shù)值模擬方法能夠在一定程度上再現(xiàn)航天器受冰雹沖擊的損傷場景,通過分析沖擊結(jié)果,可以降低試驗(yàn)成本,但有效的模擬結(jié)果需要提供準(zhǔn)確的冰雹材料性能參數(shù)。

        由于天然冰雹結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜,且獲取困難,試驗(yàn)過程中,通常采用人工模擬冰雹來代替天然冰雹。不少學(xué)者對冰的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-5]研究了海冰和淡水冰的力學(xué)性能,認(rèn)為冰是一種應(yīng)變率相關(guān)性材料,低應(yīng)變率狀態(tài)有延性,高應(yīng)變率狀態(tài)呈脆性。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了水庫冰的單軸壓縮試驗(yàn),分析了水庫冰的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變率、溫度的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]研究了多晶冰抗壓強(qiáng)度的粒徑效應(yīng),發(fā)現(xiàn)冰的抗壓強(qiáng)度與粒徑平方根的倒數(shù)呈正比例關(guān)系,破壞應(yīng)變隨粒徑的增大呈線性減小。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了淡水冰的系列單軸抗壓試驗(yàn),同樣證實(shí)了冰的抗壓強(qiáng)度具有應(yīng)變率相關(guān)性,還發(fā)現(xiàn)冰的抗壓強(qiáng)度具有方向性,晶粒生長方向強(qiáng)度較高。文獻(xiàn)[9]在人工冰雹制作標(biāo)準(zhǔn)中提出,可在水中摻入12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的棉纖維,來模擬自然界中冰雹,以獲得與其相似的密度和韌性。目前,關(guān)于冰的力學(xué)性能的研究主要集中在海冰和淡水冰,尚未有含棉纖維冰力學(xué)性能的研究報(bào)道。

        本文利用材料萬能試驗(yàn)機(jī)對棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%和12%的冰試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn),得到了一系列應(yīng)力應(yīng)變曲線,分析了應(yīng)變率和棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰的力學(xué)性能的影響,為航空飛行器冰雹撞擊數(shù)值模擬提供冰雹材料參數(shù),并為航空飛行器防雹設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1試樣制備

        冰柱模具上部為圓筒,兩端是蓋子,采用模頭和模身分段設(shè)計(jì),容易脫模。圓筒的高度為70 mm,內(nèi)徑為50 mm。模具材料為聚碳酸脂(polycarbonate,PC),是一種性能優(yōu)異的通用工程塑料,具有透明性好、硬度高、耐低溫和耐磨等特點(diǎn),適用溫度為-40~100 ℃。模具內(nèi)表面光滑,導(dǎo)熱相對較快,易脫模。使用蒸餾水制作冰柱,把蒸餾水倒入模具(制作含棉冰柱時(shí),先把棉纖維稱量好提前放入模具),置于深冷冰箱,溫度設(shè)置為-2 ℃。因?yàn)樵谀厅c(diǎn)附近結(jié)冰,水中會有一個(gè)正的溫度梯度,凝固過程采取平面式推進(jìn),所以不會有枝狀晶體把氣泡困在中間,能形成比較純凈、均勻的冰柱。等水完全結(jié)成冰,把冰柱從模具中取出,兩端面經(jīng)手工仔細(xì)刨削,最后在平臺玻璃板上研磨平整,保證試樣的上下端面平行,且與軸向垂直。試驗(yàn)前,把冰柱試樣放置在深冷冰箱(-18 ℃)中儲存24 h,以保持冰試樣溫度的均勻性,自然冰在-15 ℃以下可以進(jìn)行長期保存與加工,不會引起結(jié)晶變化,能夠保持自然冰的力學(xué)特性[10]。圖1為制備好的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰柱試樣。

        圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰柱試樣(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0%、3%、6%、9%和12%)

        1.2試驗(yàn)步驟

        在室溫條件下,利用計(jì)算機(jī)控制的材料萬能試驗(yàn)機(jī)對冰柱進(jìn)行勻速加載,試驗(yàn)機(jī)上下壓頭之間的位移由高精度位移傳感器檢測,上壓頭的載荷傳感器用于測量載荷。在試驗(yàn)前,先把在深冷冰箱(-18 ℃)中儲存過的尼龍墊片放置在上下壓頭,以減少壓頭和試樣的溫差對冰柱強(qiáng)度造成的影響。然后,小心放置冰柱試樣,盡量使傳感器軸線、試驗(yàn)機(jī)中心線和冰柱試樣的幾何軸線重合,以保證加載的均勻性與軸線性。調(diào)節(jié)上壓頭,使其與冰柱上表面緊密接觸。啟動試驗(yàn)機(jī),設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),調(diào)節(jié)加載速率,試驗(yàn)開始。試驗(yàn)機(jī)的上壓頭勻速下降,對冰柱施加軸向壓力,試樣破壞時(shí),試驗(yàn)自動完成,并自動保存試驗(yàn)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試樣兩端的-18 ℃儲存過的隔熱尼龍墊片,每次試驗(yàn)都要更換一次。

        2 結(jié)果和分析

        2.1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線

        冰柱單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)變率為10-3/s ~10-1/s,棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%和12%。由于純冰試樣(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大,每組應(yīng)變率進(jìn)行了不少于5組重復(fù)性試驗(yàn)。棉纖維冰試樣(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、6%、9%和12%)數(shù)據(jù)重復(fù)性較好,每組應(yīng)變率進(jìn)行了不少于3組重復(fù)性試驗(yàn)。選取不同應(yīng)變率下處于平均水平的試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行分析。

        圖2給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線開始呈線性關(guān)系,該段體現(xiàn)了冰柱承載線性變形的線彈性階段。隨著應(yīng)力繼續(xù)增大,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同應(yīng)變率下的形式不同,含棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生明顯變化。

        如圖2所示,當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s時(shí),純冰(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)應(yīng)力會隨著加載的進(jìn)行而逐漸增大,達(dá)到最大應(yīng)力后,隨著加載的持續(xù),應(yīng)力逐漸減小,試樣經(jīng)歷屈服和應(yīng)變軟化階段,應(yīng)變進(jìn)一步增加,應(yīng)力下降的速度變慢。試樣在加載后,表面呈不規(guī)則縱向階梯狀,中部有鼓脹現(xiàn)象。這是由于在準(zhǔn)靜態(tài)加載過程中,應(yīng)力逐漸增大到一定值,冰柱內(nèi)部的微裂紋開始延伸,隨著應(yīng)力的提高,裂紋逐漸增多,相互擴(kuò)展和連通,試樣破壞。

        隨著加載速率的提高,在10-2/s和10-1/s應(yīng)變率下,純冰應(yīng)力會迅速增大到一定值后突然下降,試樣破壞,失去承載能力,表現(xiàn)出脆性性質(zhì)。冰柱的破壞沒有任何預(yù)兆,當(dāng)達(dá)到最大應(yīng)力后,冰柱突然破壞,縱向劈裂成若干部分,多含有大塊碎塊,整體被破壞,瞬間失去承載能力。10-2/s應(yīng)變率下的冰柱劈裂速度慢,伴有細(xì)微的聲響,裂塊之間仍有黏結(jié)。10-1/s應(yīng)變率下,由于加載速度快,冰柱瞬間崩裂,伴有碎冰塊從冰柱迸出,并伴有較大聲響,碎塊體積相對較小。

        圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線

        不同應(yīng)變率下含棉纖維冰柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線形式不同。當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s時(shí),含棉纖維冰柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)出3個(gè)階段:第1階段,從開始加載到峰值應(yīng)力,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出一個(gè)明顯的線彈性階段,應(yīng)力隨應(yīng)變的增大呈線性增長關(guān)系,達(dá)到最大;第2階段,達(dá)到屈服應(yīng)力之后,應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而減小,試樣經(jīng)歷屈服和應(yīng)變軟化階段;第3階段,棉纖維之間的氣孔孔壁逐漸被壓碎,應(yīng)變逐漸增大,應(yīng)力隨應(yīng)變基本不發(fā)生變化或者僅隨應(yīng)變的增加緩慢增加,在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為比較長的一段屈服平臺,此階段曲線稱為材料在變形過程中的平臺區(qū)。在此應(yīng)變率下,冰柱在加載后無明顯目視可見裂紋,直至加載完畢,冰柱表面都沒有明顯裂紋,沒有明顯的破壞現(xiàn)象,表面有微小碎冰片脫落,只表現(xiàn)為縱向縮短,徑向鼓脹,產(chǎn)生明顯變形,可以一直承載外力。

        當(dāng)應(yīng)變率為10-2/s時(shí),含棉纖維冰柱應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而增大,直接進(jìn)入屈服平臺區(qū)。棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%和9%冰柱的屈服強(qiáng)度值相差不大,但平臺值隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大。隨著載荷增大,試樣表面產(chǎn)生細(xì)微裂紋,并且逐漸增大,由于棉纖維的黏結(jié)作用,阻礙裂紋向冰柱內(nèi)部擴(kuò)展,冰柱并沒有完全開裂。冰柱整體性沒有破壞,可以一直承載外力。

        當(dāng)應(yīng)變率為10-1/s時(shí),在試驗(yàn)機(jī)壓頭快速移動時(shí),含棉纖維冰柱應(yīng)力會迅速線性增大到一定值后突然下降,試樣失去承載能力,表現(xiàn)出明顯的脆性性質(zhì)。其中,綿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的冰柱為縱向劈裂破壞,綿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、9%和12%的冰柱沿斜45°方向呈剪切破壞,破碎成若干塊,碎塊之間有棉纖維黏結(jié),破壞后的碎塊內(nèi)部表面平整,裂紋很少。

        2.2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的抗壓強(qiáng)度

        棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰的抗壓強(qiáng)度影響很大,表1為含棉纖維冰的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化關(guān)系。冰柱的單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性很大,這主要是由冰材料本身的脆性導(dǎo)致的,每個(gè)試樣都是由單獨(dú)的模具人工制備,很難保證試樣的完全一致性。從表1中可以看出:在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率范圍(10-3/s ~10-2/s)內(nèi),純冰的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率減小而減小,從2.29 MPa降到1.42 MPa,這與文獻(xiàn)[11]的結(jié)果趨勢一致。隨后進(jìn)入中應(yīng)變率(10-1/s)時(shí),又增大到2.05 MPa,這與文獻(xiàn)[12]的試驗(yàn)結(jié)果接近。

        添加棉纖維可以有效提高冰柱的抗壓強(qiáng)度,含棉纖維冰的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大,表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率正相關(guān)性。當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s,棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6%時(shí),冰柱的抗壓強(qiáng)度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而增大;棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%時(shí),冰柱的抗壓強(qiáng)度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而減小。這主要是因?yàn)榈蛻?yīng)變率下,棉纖維黏性效果明顯,纖維之間并沒有斷裂;棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí),棉纖維的柔性表現(xiàn)的更為明顯。隨著應(yīng)變率的增大,冰柱發(fā)生劈裂破壞或者沿斜45°方向呈剪切破壞,破碎成若干塊,碎塊之間有棉纖維黏結(jié),部分纖維斷裂,冰柱的抗壓強(qiáng)度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大。但3%棉纖維冰柱的抗壓強(qiáng)度先增大后減小,主要因?yàn)槠淅w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,分布不均,凍結(jié)過程中形成的內(nèi)部氣孔較大,這些局部性的影響隨著應(yīng)變率的升高而越來越明顯,在中應(yīng)變率(10-1/s)下,氣孔較大且纖維較少的部分首先迅速崩裂導(dǎo)致冰柱破壞,降低了冰柱的抗壓強(qiáng)度。

        表1 含棉纖維冰的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化關(guān)系 MPa

        3 結(jié)論

        (1)添加棉纖維可以有效提高冰柱的強(qiáng)度和韌性,含棉纖維冰柱也具有正應(yīng)變率相關(guān)性。當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s,棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6%時(shí),冰柱的抗壓強(qiáng)度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而增大;棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%時(shí),冰柱的抗壓強(qiáng)度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而減小。應(yīng)變率為10-1/s時(shí),冰柱的抗壓強(qiáng)度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大。

        (2)應(yīng)變率為10-3/s含棉纖維冰柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生明顯變化,可以分為線彈性階段、屈服軟化階段和平臺區(qū)3個(gè)階段。

        [1]SWIFT J M.Simulated hail ice mechanical properties and failure mechanism at quasi-static strain rates[D].Washington:University of Washington,2013.

        [2]Hail damaged aircraft[EB/OL].[2014/11/9].http://www.snopes.com/photos/airplane/haildamage.asp.

        [3]一架在空中遭遇冰雹的客機(jī)[EB/OL].[2015/8/30].http://www.wokeji.com/tupian/jrtj/201508/t20150201_1534213.shtml.

        [4]SCHULSON E M.Brittle failure of ice[J].Engineering fracture mechanics,2001,68(17/18):1839-1887.

        [5]SCHULSON E M.The structure and mechanical behavior of ice[J].JOM,1999,51(2):21-27.

        [6]ZHANG L,LI Z,JIA Q,et al.Experimental study on uniaxial compressive strength of reservoir ice[J].Transactions of Tianjin university,2012,18(2):112-116.

        [7]彭萬巍,朱元林,張家懿.多晶冰抗壓強(qiáng)度的粒徑效應(yīng)[J].力學(xué)與實(shí)踐,1998,20(4):37-39.

        [8]張大長,劉明源,包濤.淡水冰單軸受壓力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2011(7):238-244.

        [9]US-ASTM.Standard test method for hail impact resistance of aerospace transparent enclosures:ASTM F320-10[S].PA:ASTM International,2010.

        [10]SCHWARZ J,FREDERKING R,GAVRILLO V,et al.Standardized testing methods for measuring mechanical properties of ice[J].Cold regions science and technology,1981,4(3):245-253.

        [11]張麗敏,李志軍,賈青,等.人工淡水冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(11):1392-1396.

        [12]BLAIR S C.Mechanical properties of first-year sea ice at intermediate strain rates[R].CA:Lawrence Livermore National Laboratory,1987.

        中航工業(yè)集團(tuán)公司航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2014ZD38)

        黃興(1990-),男,河南開封人,碩士生,主要研究方向?yàn)楣腆w力學(xué).

        2016-04-10

        1672-6871(2016)06-0001-04

        10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.001

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