張 亮 杜硯文

1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201；2.上海關(guān)點質(zhì)量檢測技術(shù)服務有限公司，上海 201319

2017-07-14

張亮，男，1982年生，工程師，主要從事車身外飾及底盤動力總成集成系統(tǒng)中有關(guān)非金屬材料的工作

杜硯文，E-mail： kevin.du@keytcs.com

玻纖增強材料的二維力學性能測試與分析

張 亮1杜硯文2

1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201；2.上海關(guān)點質(zhì)量檢測技術(shù)服務有限公司，上海 201319

開發(fā)一種用于玻纖增強材料各向異性測試的取樣方法，測試玻纖增強材料的二維力學性能并分析其在不同溫度下的分布規(guī)律，導出玻纖增強材料各個方向的真應力-應變曲線，為CAE模擬提供更好的數(shù)據(jù)源，從而推導出玻纖增強材料的本構(gòu)方程。

玻纖， 增強材料， 力學性能， 本構(gòu)方程

CAE模擬作為一種綜合應用計算力學、計算數(shù)學、信息科學等學科的工程技術(shù)，對提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有著舉足輕重的作用，是工程技術(shù)人員進行創(chuàng)新研究和設(shè)計的重要工具和手段[1-2]。隨著CAE模擬越來越廣泛地應用于汽車、航空航天、機械、材料等領(lǐng)域[3-8]，對數(shù)據(jù)的準確性和有效性的要求越來越高[9-10]。為了使CAE模擬更好地應用于實際，需要提供較好的數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)大多是在材料各向同性的基礎(chǔ)上得出的，各向異性材料的數(shù)據(jù)也多為單一的力學性能數(shù)據(jù)，未針對各向異性給出力學性能分布[11-12]，這嚴重影響到模擬的有效性。因此，CAE模擬得到的模塑制件性能和實際模塑產(chǎn)品性能存在較大偏差，匹配度低[13-14]。隨著產(chǎn)品開發(fā)過程中對功能材料的需求越來越大，大量的玻纖和碳纖維增強材料由于其易加工、密度低而被用來替代金屬，減輕質(zhì)量。獲得這方面有效、準確的數(shù)據(jù)，對CAE模擬具有非常重要的意義[15-17]。

1 試驗

本試驗首先對玻纖填充材料的玻纖分布情況進行觀察，選定一種PA66+玻纖(質(zhì)量分數(shù)35%)增強材料為試驗材料。利用注塑成型法制備一定尺寸的樣板，再根據(jù)不同裁樣角度裁切拉伸、壓縮等試驗所需要的試樣，然后在不同溫度下進行測試。

1.1試樣制備

通過注塑成型工藝加工出尺寸為200 mm×150 mm× 4 mm 的樣板，然后利用數(shù)控加工設(shè)備，根據(jù)ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”和ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”的規(guī)定，分別裁切出5個裁樣角度即0°、30°、45°、60°、90°(注塑流動方向為0°，順時針方向)的拉伸、壓縮試樣各5種，再用1000目的砂紙將試樣上的毛邊磨去即可。

1.2測試方法

各指標的測試均依據(jù)有關(guān)的ISO標準進行：

(1) 拉伸模量：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用5 mm/min；

(2) 拉伸強度：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用50 mm/min；

(3) 泊松比：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用5 mm/min

(3) 壓縮強度：ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”，試樣規(guī)格50 mm× 10 mm×4 mm，速度采用1 mm/min；

(4) 壓縮模量：ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”，試樣規(guī)格10 mm× 10 mm×4 mm，速度采用1 mm/min。

測試溫度：-40、 -30、 -20、 23、 85、 110、 130 ℃；其中，-30、 23、 85 ℃溫度下進行5種試樣的測試，-40、 -20、 110、 130 ℃溫度下僅進行0°、 45°、 90° 3種試樣的測試。壓縮試驗僅在-30、 23、 85 ℃溫度下進行。

預處理時間： 6 h。

應變采集方式：一種是通過設(shè)備自帶的延伸計采集，另一種是通過外接的壓電應變片采集(圖1)。

2 測試結(jié)果與分析

2.1拉伸強度

試樣的拉伸強度測試結(jié)果見圖2，可以得出：

(1) 各測試溫度下，0°試樣的拉伸強度均最大；

(2) 對于同一種試樣，其拉伸強度隨測試溫度升高逐步減小，但在-20 ℃以下和85 ℃以上時變化均不明顯；

(3) 在-20～110 ℃的測試溫度范圍內(nèi)，試樣的拉伸強度與測試溫度基本成線性相關(guān)；

(4) 相同測試溫度下，試樣的拉伸強度和裁樣角度之間存在一定的算數(shù)關(guān)系，通過擬合得到二次項方程：

低溫-30 ℃：

F(σ)=67.770(sinα)2-131.790(sinα)+σ0°

常溫23 ℃：

F(σ)=10.470(sinα)2-58.200(sinα)+σ0°

高溫85 ℃：

F(σ)=9.852(sinα)2-39.935(sinα)+σ0°

圖2 試樣的拉伸強度測試結(jié)果

2.2拉伸模量

試樣的拉伸模量測試結(jié)果見圖3，可以看出：

圖3 試樣的拉伸模量測試結(jié)果

(1) 各測試溫度下，0°試樣的拉伸模量均最大；

(2) 對于同一種試樣，其拉伸模量隨著測試溫度的升高逐漸降低；

(3) 5種試樣中，60°試樣的拉伸模量在-30 ℃和85 ℃溫度下都是最低的；

(4) 0°、 45°、 90°試樣的拉伸模量之間的差異隨著測試溫度升高而縮小。

2.3泊松比

試樣的泊松比測試結(jié)果見表1，可以看出：

(1) 對于同一種試樣，其泊松比隨測試溫度升高而增大；

(2) 相同測試溫度下，試樣的泊松比隨裁樣角度增大表現(xiàn)出先增后降的趨勢，裁樣角度30°或45°時達到最大(30°和45°試樣的泊松比差異很小)，90°時試樣的泊松比最小。

表1 試樣的泊松比測試結(jié)果

2.4壓縮強度和壓縮模量

試樣的壓縮強度和壓縮模量測試結(jié)果見表2，可以看出：

(1) 測試溫度為23 ℃時，5種試樣的壓縮強度隨裁樣角度增大而逐漸減小，至裁樣角度為60°時試樣的壓縮強度達到最低，90°試樣的壓縮強度變化趨勢和拉伸強度相似；

(2) 對于同一種試樣，其壓縮強度隨測試溫度升高而下降；

表2 試樣的壓縮強度和壓縮模量測試結(jié)果

(3) 試樣的壓縮模量的變化規(guī)律不明顯，-30 ℃ 和85 ℃溫度下，60°試樣的壓縮模量最低，這和拉伸模量的表現(xiàn)相似。

2.5應力-應變曲線

圖4所示為-30、 23、 85 ℃溫度下各試樣的應力-應變曲線，可以看出：

(1) 測試溫度為-30 ℃時，試樣的斷裂延伸率最低，說明試樣在低溫下表現(xiàn)出比較脆的性能；

(2) 測試溫度為23 ℃時，5種試樣中，0°試樣的斷裂延伸率最大，說明它的樹脂和玻纖分布一致，韌性較大；

(3) 測試溫度為85 ℃時，試樣的斷裂延伸率最大且曲線平滑，說明試樣在高溫下表現(xiàn)出韌性。

圖4 -30、 23、 85 ℃溫度下各試樣的應力-應變曲線

圖5所示為各測試溫度下0°、 45°、 90°試樣的應力-應變曲線，可以看出：

(1) 對于同一種試樣，其應力-應變曲線的斜率隨測試溫度升高而減小，即測試溫度越高，試樣的斷裂延伸率越大；

(2) 相同測試溫度下，45°試樣的斷裂延伸率相對較大。

2.6真應力-應變曲線的推導

試樣的拉伸試驗受力如圖6所示。

圖5 各測試溫度下0°、 45°、 90°試樣的應力-應變曲線

圖6 試樣拉伸試驗受力示意

(1) 試驗速度(v)：試驗過程中試驗機上的夾具分離速度，以“mm/min”為單位。

(2) 拉伸應力(σ)：在任何給定時刻，試樣原始標距長度內(nèi)單位橫截面積所受的拉伸負荷，以“MPa”為單位。

(3) 拉伸應變(ε)：試樣原始標距長度的增量，用無量綱的比值或百分比(%)表示，適用于屈服點以前的應變。

(4) 泊松比(μ)：在試樣縱向應變對法向應變關(guān)系曲線的起始線性部分，垂直于拉伸方向的應變εn與拉伸方向的應變ε之比的負值，用無量綱的比值表示。

其中：l平為試樣平行段距離。

(6) 真應力(σT)：通過測量瞬間負荷(F)和截面積(A)并計算得到的應力。

① 由于A0l0=Al，所以

(7) 真應變(εT)：相對伸長與瞬時標距長度之比值的百分數(shù)。

(8) 真塑性應變(εTp)：

其中：εe為應變中的彈性部分(此公式基于εe?1，因此沒必要計算真彈性應變)。

圖7所示為-30、 23、 85 ℃溫度下試樣的應力- 應變曲線和真應力-應變曲線(圖中ESS表示應力-應變曲線，TESS表示真應力-應變曲線)，可以看

圖7 -30、 23、 85 ℃溫度下試樣的真應力-應變曲線

出在模量段(應變?yōu)?.05%～0.25%)，ESS和TESS基本重合，根據(jù)上述計算過程分析，說明在模量段泊松比對真應力-應變計算的影響很小。

為了得到-30、 23、 85 ℃溫度下試樣的損傷判據(jù)，測試0°試樣的剪切模量，結(jié)果見表3。

表3 -30、 23、 85 ℃溫度下0°試樣的剪切模量

推導-30、 23、 85 ℃溫度下材料的本構(gòu)方程：

提出試樣的應力-應變曲線模型：

(1)

式(2)為測試條件下(拉伸速度5 mm/min)的應力-應變關(guān)系式，

(2)

其中：a、b、c為待求參數(shù)；σ0為測試條件下的屈服強度；ε0為測試條件下的屈服強度對應的應變。

σ0為零塑性應變時的應力，可通過計算應力-應變曲線的線性區(qū)域的斜率得到。

由式(2)推導得出本構(gòu)方程中的兩個參數(shù)值(表4)。

表4 本構(gòu)方程中的兩個參數(shù)值

3 結(jié)論

在不同測試溫度下，對不同裁樣角度的PA66+玻纖(質(zhì)量分數(shù)35%)增強材料進行力學性能測試，得出：

(1) 試樣的最大拉伸強度和最大拉伸模量不受測試溫度的影響，裁樣角度為0°的試樣的拉伸強度和拉伸模量均最大，即拉伸性能最佳；

(2) 對于同一種試樣，其拉伸強度和拉伸模量都隨測試溫度升高而逐步降低，泊松比則隨著測試溫度升高而增大，拉伸模量在高溫(85 ℃)或大裁樣角度(60°)以上時基本不再改變；

(3) 在測試溫度保持不變的情況下，試樣的拉伸強度與裁樣角度之間滿足二次項方程：

低溫(-30 ℃)：

F(σ)=67.770(sinα)2-131.790(sinα)+σ0°

常溫(23 ℃)

F(σ)=10.470(sinα)2-58.200(sinα)+σ0°

高溫(85 ℃)：

F(σ)=9.852(sinα)2-39.935(sinα)+σ0°

根據(jù)試樣在不同測試溫度下的力學性能，導出了低溫(-30 ℃)、常溫(23 ℃)、高溫(85 ℃)3種測試溫度下的真應力-應變曲線，這為CAE模擬提供了較為有效和準確的數(shù)據(jù)源，進而推導出試樣本構(gòu)方程的相關(guān)參數(shù)。

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Testing and analyzing on the two-dimensional mechanical properties of glass fiber reinforced materials

ZhangLiang1，DuKevin2

1. Pan-Asia Technical Automotive Center Company，Shanghai 201201， China；2. Key Point Quality Inspection Technology Service Co.， Ltd.， Shanghai 201319，China

A sampling method for testing the anisotropic properties of glass fiber reinforced materials was developed， the two dimensional mechanical properties of the glass fiber reinforced materials were tested， and the distribution of the mechanical properties at different temperatures were analyzed. The real stress-strain curves of each direction of the glass fiber reinforced materials were derived to provide a better data source for CAE modeling， and thus the constitutive equation of the glass fiber reinforced materials was derived.

glass fiber， reinforced material， mechanical property， constitutive equation

TB302.3

A

1004-7093(2017)08-0032-07