徐香新

摘 要：為豐富材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，現(xiàn)提出一種可用于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)。該復(fù)合材料以橡膠材料為基體，以聚氨酯材料為增強(qiáng)體，通過物理嵌入的方法結(jié)合而成。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中通過諸項(xiàng)合理的假設(shè)，將復(fù)合材料力學(xué)問題簡化為普通的材料力學(xué)問題。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行單向加載，進(jìn)而測(cè)定復(fù)合材料的彈性模量。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以幫助學(xué)生開拓視野，增加學(xué)生的動(dòng)手能力，并在制作復(fù)合材料試件過程中提高實(shí)驗(yàn)人員的業(yè)務(wù)能力。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0164-02

Abstract：In order to enrich the experimental teaching content of material mechanics， a composite material experiment is put forward， which can be used in the experiment teaching of material mechanics. Composite material is made of rubber material as matrix and polyurethane material as the reinforcing material. Through many reasonable hypotheses， the mechanical problems of composite materials are simplified to ordinary materials. By single loading and measuring the elastic modulus of composite materials， it can help students develop their vision， study theory knowledge， increase practical ability of students and can improve the operational capability of the experimental personnel in the process of making composite materials.

Key Words： Material mechanics experiment； The teaching of experiment； Composite material

在現(xiàn)階段的高等教育中，高校不應(yīng)該僅僅重視理論教學(xué)，更應(yīng)該重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不僅可以訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，更能增強(qiáng)學(xué)生的思維訓(xùn)練。目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相對(duì)傳統(tǒng)，雖然有部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容經(jīng)久不衰，但為了能更好的幫助學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)技能，有必要對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新[1-4]。針對(duì)學(xué)生對(duì)非金屬復(fù)合材料力學(xué)性能認(rèn)識(shí)不足這一情況，設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)。希望該實(shí)驗(yàn)可以豐富學(xué)生的理論知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技巧。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

一般來說復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。復(fù)合材料中的多種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料[5-6]。工程中常用的復(fù)合材料可以看成由基體和增強(qiáng)體兩類介質(zhì)組成的材料。

復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)[7]過程中，基體成分選用具有高彈性能的橡膠材料[8-9]，增強(qiáng)體成分選用彈性模量更高的聚氨酯材料[10-11]?；w成分加工成長方體橡膠塊，并在橡膠塊上鉆通孔，保證孔徑大小一致，且均布分布在長方體橡膠塊上。增強(qiáng)體加工成圓柱體，保證圓柱體的直徑與橡膠中孔徑大小一致，圓柱體的高度與長方體橡膠塊的高度一致。將加工好的增強(qiáng)體嵌入到基體的通孔中，以橡膠材料為基體、聚氨脂材料為增強(qiáng)體的單向纖維復(fù)合材料力學(xué)模型制作完成。

為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比較性，制作過程中，制作了兩種嵌入不同數(shù)量增強(qiáng)體的復(fù)合材料，兩種復(fù)合材料分別嵌入了4根增強(qiáng)體和8根增強(qiáng)體，簡稱為4根試件和8根試件。兩種試件的示意圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 實(shí)驗(yàn)值分析

實(shí)驗(yàn)過程中，通過壓縮試件，測(cè)量其在增強(qiáng)體軸線方向的變形量，來確定復(fù)合材料的彈性模量。為了使復(fù)合材料的彈性模量可以用材料力學(xué)的方法來測(cè)定，還需基于復(fù)合材料力學(xué)分析中的如下假設(shè)[12-15]：復(fù)合材料中組分材料彈性模量比較接近；且組分材料為均質(zhì)、線彈性和各項(xiàng)同性；增強(qiáng)體在基體中均勻分布；復(fù)合材料單向受力且處于小變形狀態(tài)等。

根據(jù)胡克定律，材料在增強(qiáng)體軸線方向上彈性模量E 的實(shí)驗(yàn)值為：

3-1

式中：P為沿增強(qiáng)體軸線方向?qū)υ嚰┘拥妮d荷；

L為試件在增強(qiáng)體軸線方向的高度；

為試件在增強(qiáng)體軸線方向的變形量；

A為試件的橫截面積。

由于實(shí)驗(yàn)試件的加載面積以及增強(qiáng)體軸線方向的高度已知，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，僅需記錄實(shí)驗(yàn)試件加載時(shí)試件所受的載荷以及試件在增強(qiáng)體方向上對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的變形量，即可計(jì)算復(fù)合材料彈性模量的實(shí)驗(yàn)值。

2.2 理論值分析

當(dāng)復(fù)合材料試件沿增強(qiáng)體軸線方向受壓時(shí)，其增強(qiáng)體和基體沿該方向產(chǎn)生的應(yīng)力和分別為：

3-2

3-3

式中：為增強(qiáng)體材料的彈性模量；

為基體材料的彈性模量；

為試件在增強(qiáng)體軸線方向的應(yīng)變；

可將復(fù)合材料所受的壓力分解成兩個(gè)部分，并由基體和增強(qiáng)體分別承擔(dān)，則有：endprint

3-4

式中：σ為復(fù)合材料受壓時(shí)所受的應(yīng)力；

σf為增強(qiáng)體材料受壓時(shí)所受的應(yīng)力；

Af為增強(qiáng)體材料的截面面積；

σm為基體材料受壓時(shí)所受的應(yīng)力；

σm為基體材料的截面面積；

將式3-2和3-3式代入3-4式，得

3-5

當(dāng)兩種組分材料的彈性模量和相關(guān)尺寸確定以后，可根據(jù)3-5式確定復(fù)合材料在該方向上彈性模量E的理論值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種復(fù)合材料試件彈性模量的實(shí)驗(yàn)值和理論值有非常良好的一致性，從而證明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)作為一種新型的復(fù)合材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，豐富了材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有一定的創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，讓學(xué)生初步了解復(fù)合材料的組成及基本結(jié)構(gòu)形式，幫助學(xué)生開拓視野，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過合理的假設(shè)，將復(fù)雜問題進(jìn)行簡化求解，幫助學(xué)生進(jìn)一步熟悉和掌握材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原理和基本方法，起到督促學(xué)生重視理論學(xué)習(xí)與增強(qiáng)動(dòng)手能力的作用。同時(shí)在復(fù)合材料試件制作過程當(dāng)中，可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)人員的業(yè)務(wù)能力。

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