劉子尚，楊 喆，魏延鵬，蔡軍爽，趙士忠，黃晨光

（1. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

玻璃鋼全稱玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，是復(fù)合材料的典型代表，在實(shí)際工業(yè)與生活中有多種用途[1]。玻璃鋼具有隔熱、耐疲勞、阻燃、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-6]，從20 世紀(jì)60 年代開始，英國(guó)、日本、德國(guó)就將玻璃鋼應(yīng)用于列車的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)件上[7]。玻璃鋼由于結(jié)構(gòu)的非均勻性，在力學(xué)性能上具有各向異性和層間剪切模量較低等復(fù)雜特性[8-9]。

針對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料力學(xué)行為方面的研究工作，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作。Reis 等[10]針對(duì)玻璃鋼材料進(jìn)行了多種溫度下的拉伸，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到玻璃鋼的沖擊拉伸強(qiáng)度會(huì)受到溫度影響的結(jié)論。Moradpour 等[11]針對(duì)不同樹脂基的玻璃鋼進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同的樹脂基體會(huì)影響到玻璃鋼的強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了PMDI 作為基體能獲得最好的結(jié)果。劉華等[12]對(duì)玻璃鋼進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)SEM 觀測(cè)破壞斷面圖發(fā)現(xiàn)玻璃鋼的失效形式為纖維和樹脂基體的組合破壞，可以通過(guò)改善樹脂與玻璃纖維的界面粘結(jié)性能，獲得性能更為優(yōu)異的玻璃鋼復(fù)合材料。張磊等[13]對(duì)玻璃鋼進(jìn)行了順纖維方向和垂直纖維方向的拉伸實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明實(shí)際使用中應(yīng)將玻璃鋼材料沿纖維方向制成拉桿或管狀形式，以便充分利用其優(yōu)異的抗拉性能，將玻璃鋼材料和輸電桿塔中的鋼材進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了同等載荷下，玻璃鋼材料制成的桿塔結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形更大，宜在使用時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)本身的變形控制。陳魯?shù)萚14]對(duì)輕型結(jié)構(gòu)做了大量實(shí)驗(yàn)，并與鋼材進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料的強(qiáng)度和模量比鋼材低很多。實(shí)際上，玻璃鋼的強(qiáng)度確實(shí)比一般鋼材低，但玻璃鋼密度比鋼材小，因此玻璃鋼的比強(qiáng)度要比鋼材更強(qiáng)。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation，DIC)是一種通過(guò)匹配物體表面不同狀態(tài)下的數(shù)字化散斑圖像上的幾何點(diǎn)，跟蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)獲得物體表面變形信息的方法。通過(guò)DIC 技術(shù)可以方便地獲得實(shí)驗(yàn)試件的位移場(chǎng)。張燕南等在進(jìn)行全場(chǎng)位移分析的時(shí)候，就用到了DIC 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，并得到了位移場(chǎng)呈傾斜的梯度分布的結(jié)論[15]。然而利用DIC 技術(shù)對(duì)單向增強(qiáng)玻璃鋼材料進(jìn)行靜/動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)的應(yīng)變場(chǎng)以及精確的工程失效應(yīng)變、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變進(jìn)行分析的有關(guān)研究還比較少。

本文針對(duì)單向增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料，進(jìn)行不同方向、不同應(yīng)變率的靜/動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，利用一整套靜/動(dòng)態(tài)拉伸裝置以及高速攝影與DIC 相結(jié)合的技術(shù)，采集材料拉伸過(guò)程中的全場(chǎng)應(yīng)變信息，采用力傳感器獲得了材料拉伸過(guò)程的應(yīng)力時(shí)域信號(hào)；結(jié)合應(yīng)力及應(yīng)變的時(shí)域信號(hào)結(jié)果，繪制材料不同方向、不同應(yīng)變率的靜/動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)DIC 分析結(jié)果獲得了材料不同方向、不同應(yīng)變率破壞時(shí)刻的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變，以期更加精準(zhǔn)地描述單向增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)失效行為。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)單向增強(qiáng)玻璃鋼材料進(jìn)行了3 種不同應(yīng)變率的拉伸實(shí)驗(yàn)，分別是準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）、10 s-1、100 s-1。其中準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）拉伸實(shí)驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，另外兩種動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)采用中高速應(yīng)變率材料試驗(yàn)機(jī)，如圖1 所示。中高速應(yīng)變率材料試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)1～500 s-1應(yīng)變率范圍的材料拉伸試驗(yàn)。針對(duì)拉伸試件設(shè)計(jì)了專門的測(cè)力傳感器，如圖2 所示。所設(shè)計(jì)的測(cè)力傳感器不僅可以在拉伸過(guò)程中對(duì)力進(jìn)行測(cè)量，還可以防止試件在拉伸過(guò)程中滑出。

圖 1 中應(yīng)變率材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)Fig. 1 Intermediate strain rate material testing machine

圖 2 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)夾具Fig. 2 Fixture for dynamic tensile test specimen

為了便于DIC 處理處應(yīng)變和時(shí)間的信息，配備了高速相機(jī)來(lái)拍攝試驗(yàn)過(guò)程。高速相機(jī)型號(hào)為Photron SA1.1，在分辨率為1 024×1 024 像素下，采樣率可以達(dá)到5 400 s-1，通過(guò)降低分辨率，采樣率最高可達(dá)675 000 s-1。實(shí)驗(yàn)選用了80 000 s-1的采樣率，分辨率為896×120 像素，既能準(zhǔn)確地記錄試驗(yàn)中每個(gè)試件不同時(shí)刻的散斑變形圖片，還保證了后期處理軟件對(duì)試件變形的處理精度。整套高速攝影裝備如圖3 所示。

1.2 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料采用青島海鐵船艦有限公司提供的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂。實(shí)驗(yàn)用的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂鋪層方向?yàn)閱蜗蚶w維增強(qiáng)方式，拉伸實(shí)驗(yàn)試件厚度為2 mm，切割方向選擇0°、45°、90°三個(gè)方向，具體如圖4 所示。其中纖維增強(qiáng)方向，記為方向1，與纖維增強(qiáng)方向成45°的方向，記為方向2，與纖維增強(qiáng)方向垂直的方向，記為方向3。

針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）與動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)不同的加載特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種尺寸的拉伸試件。準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）拉伸實(shí)驗(yàn)試件尺寸如圖5(a)所示。試件厚度為2 mm，動(dòng)態(tài)拉伸試件尺寸如圖5(b)所示，試件厚度為2 mm。在拉伸試件的中間區(qū)域噴涂了人工散斑，用于玻璃鋼試件全場(chǎng)變形量的測(cè)量。

圖 4 纖維鋪層方向及試件切割方向Fig. 4 The layer directions of fibers and the cutting directions of specimens

圖 5 試件形狀與尺寸 (單位：mm)Fig. 5 Size of experimental specimens (unit: mm)

1.3 結(jié)果采集

在試件表面噴涂散斑，拉伸過(guò)程如圖6 所示。利用高速攝影對(duì)試件表面的形貌進(jìn)行拍攝得到散斑在整個(gè)動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中的形貌變化。采用DIC 數(shù)字圖像處理技術(shù)處理高速攝影拍攝的照片得到該工況下試件標(biāo)距段位移的時(shí)空分布，對(duì)位移-時(shí)間曲線進(jìn)行處理得到應(yīng)變的時(shí)空分布。利用力傳感器得到拉伸過(guò)程試件的載荷-時(shí)間曲線，對(duì)載荷-時(shí)間曲線進(jìn)行處理得到應(yīng)力-時(shí)間曲線。將應(yīng)力-時(shí)間曲線和應(yīng)變的時(shí)空分布進(jìn)行聯(lián)合處理得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變。

相較于傳統(tǒng)的引伸計(jì)測(cè)量應(yīng)變方法，采用DIC 圖像處理技術(shù)的一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)為可以方便地獲得應(yīng)變的時(shí)空分布。在全場(chǎng)應(yīng)變不均勻的情況下，可以針對(duì)性分析斷口附近的應(yīng)變-時(shí)間曲線，而不是用標(biāo)距段平均應(yīng)變來(lái)代替。

圖 6 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)Fig. 6 Quasi-static tensile test

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果分散性討論

試驗(yàn)針對(duì)特定方向和應(yīng)變率的每一種工況都進(jìn)行了三次重復(fù)試驗(yàn)，對(duì)得到的三組原始應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分散性分析，選取其中更接近平均值的應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為代表來(lái)研究材料的力學(xué)性質(zhì)。具體實(shí)驗(yàn)情況如表 1 所示。

針對(duì)典型的方向1 下，100 s-1應(yīng)變率工況進(jìn)行分散性討論。三次重復(fù)試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線和試件破壞圖分別如圖 7 和圖8 所示。

在三次重復(fù)試驗(yàn)下，試件最終的斷裂形貌均發(fā)生在標(biāo)距段，屬于有效實(shí)驗(yàn)。針對(duì)數(shù)據(jù)分散性的討論，選取了三個(gè)參考指標(biāo)：彈性模量Einitial、工程失效應(yīng)變和強(qiáng)度。分析方法為將指標(biāo)項(xiàng)的三個(gè)結(jié)果分別和平均值作比較。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，彈性模量的誤差為8%，工程失效應(yīng)變?yōu)?0%，強(qiáng)度的誤差為1%。在后續(xù)的分析中，將每種工況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線均進(jìn)行了相似的比較，所有的工況下最大誤差均控制在10%的范圍內(nèi)。后續(xù)分析中全部應(yīng)力-應(yīng)變曲線的選取原則確定為各項(xiàng)參考指標(biāo)數(shù)值居中的曲線。

表 1 不同工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)Table 1 Times of repeated experiments under different conditions

圖 7 典型工況下重復(fù)試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Stress-strain curves of repeated tests under typical working conditions

2.2 典型工況的應(yīng)變時(shí)空分布

對(duì)于動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中應(yīng)變場(chǎng)的分析，選取了方向1 應(yīng)變率為100 s-1的情況下進(jìn)行DIC 圖像處理。針對(duì)整個(gè)拉伸過(guò)程進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)的分析，得到玻璃鋼試件不同時(shí)刻試件標(biāo)距段形貌以及標(biāo)距段全場(chǎng)應(yīng)變?nèi)鐖D9 和圖10 所示。

圖 8 試件破壞圖Fig. 8 Tography of fractured specimens

圖 9 動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程試件形貌Fig. 9 Specimen morphology under dynamic tensile condition

通過(guò)整個(gè)拉伸過(guò)程的試件形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)在拉伸初期圖10(a)～(b)由于內(nèi)部玻璃纖維的單向增強(qiáng)分布導(dǎo)致材料的各向異性，材料表面應(yīng)變分布并不均勻。拉伸中期圖10(c)～(d)，材料標(biāo)距段整體應(yīng)變分布不均勻性進(jìn)一步增強(qiáng)。斷裂前期圖10(e)，試件形貌方面部分區(qū)域顏色變白明顯，由于方向1 起增強(qiáng)作用的玻璃纖維是主要的受力部分，夾持端出現(xiàn)了兩條白色帶狀區(qū)域。通過(guò)圖10(e)也可以看出，試件局部應(yīng)變顯著增大。在整個(gè)斷裂前期，拉伸方向位移場(chǎng)呈不均勻分布。斷裂失效后圖10(f)～(g)，材料發(fā)生破壞，觀察試件形貌能明顯地看到標(biāo)距段左端出現(xiàn)破壞，標(biāo)距段未斷裂部分應(yīng)變逐漸恢復(fù)為0。

圖 10 方向1 動(dòng)態(tài)拉伸全場(chǎng)應(yīng)變分布Fig. 10 Strain field in direction 1 under dynamic tension condition

2.3 典型工況的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

方向1 應(yīng)變率為100 s-1的拉伸工況下獲取的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11 所示。曲線中的時(shí)間標(biāo)識(shí)與圖9和圖10 所指代的相同。

觀察整個(gè)動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載過(guò)程為一條近似通過(guò)原點(diǎn)的斜直線，加載中前期曲線的線性比較好，等到了后期，在即將斷裂失效的時(shí)候，即圖11 中的剛度變化點(diǎn)N，直線的斜率變小。在N 之前，主要是玻璃纖維在維系著復(fù)合材料的彈性變形；當(dāng)達(dá)到N 點(diǎn)的應(yīng)力之后，玻璃纖維部分?jǐn)嗔眩Ｓ嗬w維以及樹脂基體共同承擔(dān)載荷，樹脂基的貢獻(xiàn)使該復(fù)合材料增加了塑性應(yīng)變的成分，纖維的斷裂以及塑性應(yīng)變成分的增加導(dǎo)致材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生斜率上的變化。隨著纖維斷裂增多，剩余纖維以及樹脂基體不能再承受斷裂纖維傳遞的載荷，試件破壞。變化前的剛度通過(guò)彈性模量Einitial來(lái)衡量，剛度變化后的模量若記為Echanged，則該材料從35.1 GPa 的彈性模量Einitial降低為7.5 GPa 的Echanged。聯(lián)系拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中陸續(xù)聽到幾次“啪”的纖維斷裂響聲。由此推測(cè)此時(shí)材料內(nèi)部部分纖維開始斷裂。隨著纖維斷裂增多，鄰近纖維不能再承受斷裂纖維傳遞的載荷，試件開始破壞。后期材料內(nèi)部的纖維的損傷導(dǎo)致材料的剛度發(fā)生了變化。

圖12 為準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）拉伸情況下材料在方向1、2、3 上的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖12 所示，準(zhǔn)靜態(tài)情形下三個(gè)方向的強(qiáng)度分別為608、75、90 MPa，工程失效應(yīng)變分別為0.025、0.021、0.022，圖中曲線的選取原則以最接近平均結(jié)果為準(zhǔn)。在彈性階段可獲得3 個(gè)方向的彈性模量Einitial分別為27.7、3.6、4.1 GPa。同時(shí)方向1 曲線工程失效應(yīng)變與強(qiáng)度是最大的。內(nèi)部的玻璃纖維束設(shè)計(jì)的增強(qiáng)方向主要在方向1，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要在方向3 也增加少量的玻璃纖維對(duì)方向1 的玻璃纖維束進(jìn)行固定，因此方向3 的強(qiáng)度比方向2 要高20%。此材料內(nèi)部的玻璃纖維束不僅可以顯著改善材料的強(qiáng)度，還使得材料的工程失效應(yīng)變有小幅度的增加。方向1 的工程失效應(yīng)變較方向2 增加了19%。在即將斷裂的時(shí)候，方向1 曲線在圖中剛度產(chǎn)生了變化。類似于圖11 中典型工況應(yīng)力-應(yīng)變曲線的剛度變化點(diǎn)N。在N 點(diǎn)之后，玻璃纖維部分?jǐn)嗔?，剩余纖維以及樹脂基體共同承擔(dān)載荷，樹脂基的貢獻(xiàn)使該復(fù)合材料增加了塑性應(yīng)變的成分，變化前的剛度通過(guò)彈性模量Einitial來(lái)衡量，剛度變化后的模量若記為Echanged，則該材料從27.7 GPa 的彈性模量Einitial減小為18.7 GPa 的Echanged。

圖 11 方向1 在100 s-1 應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 11 Stress-strain curve of the direction 1 at 100 s-1 strain rate

圖 12 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸不同方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 12 Stress-strain curves in different directions under quasi-static condition

圖13～15 為材料在3 種不同應(yīng)變率下不同方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

如圖13 所示三種應(yīng)變率（準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）、10 s-1、100 s-1）下的強(qiáng)度分別為608、967、1 123 MPa，工程失效應(yīng)變?yōu)?.025、0.066、0.040。結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率的提高，材料的強(qiáng)度也得到了顯著增強(qiáng)，具備應(yīng)變率效應(yīng)。而工程失效應(yīng)變雖然在兩種動(dòng)態(tài)拉伸情況下都比準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）拉伸情況下的工程失效應(yīng)變要大，但是應(yīng)變率為10 s-1的情況下的工程失效應(yīng)變卻比應(yīng)變率為100 s-1情況下的要大，因此，與強(qiáng)度不同，工程失效應(yīng)變并沒(méi)有表現(xiàn)出隨著應(yīng)變率的增大而增大的特性。

在材料的拉伸過(guò)程后期，會(huì)聽到纖維斷裂的“啪”聲，纖維的斷裂導(dǎo)致材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生斜率上的變化。隨著纖維斷裂增多，鄰近纖維不能再承受斷裂纖維傳遞的載荷，試件開始破壞。纖維的陸續(xù)斷裂宏觀上表現(xiàn)為材料剛度發(fā)生變化，準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）應(yīng)變率拉伸下由27.7 GPa 的彈性模量Einitial減小為18.7 GPa 的Echanged，10 s-1應(yīng)變率拉伸下由35.1 GPa 的彈性模量Einitial減小為13.7 GPa 的Echanged，100 s-1應(yīng)變率拉伸下由35.1 GPa 的彈性模量Einitial減小為7.5 GPa 的Echanged。三種應(yīng)變率情況下的初始彈性模量都在30 GPa 左右。材料的剛度在剛度變化點(diǎn)N 之后產(chǎn)生了下降，改變后的Echanged按照應(yīng)變率從低到高分別只有初始彈性模量Einitial的67.5%、39.0%、21.4%?？梢姡煌瑧?yīng)變率拉伸情況下，尤其是兩種動(dòng)態(tài)工況下，樹脂基的貢獻(xiàn)導(dǎo)致的材料剛度變化更加明顯。且變化率隨應(yīng)變率的增加而增加。

如圖14 所示，方向2 在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）、10 s-1、100 s-1三種應(yīng)變率下的強(qiáng)度分別為75、67、58 MPa，工程失效應(yīng)變?yōu)?.020、0.011、0.013，強(qiáng)度上沒(méi)有表現(xiàn)出正的應(yīng)變率效應(yīng)。方向2 與纖維增強(qiáng)方向成45°，拉伸時(shí)候主要是基體承受載荷。且整個(gè)拉伸過(guò)程僅在最后斷裂時(shí)刻聽到一次劇烈響聲，沒(méi)有纖維陸續(xù)斷裂的過(guò)程。整個(gè)拉伸過(guò)程，剛度不斷變化，不能找到明顯的剛度變化點(diǎn)N。

圖 13 方向1 不同應(yīng)變率拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 13 Tensile stress-strain curves of the direction 1 under different strain rates

如圖15 所示，方向3 在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）、10 s-1、100 s-1三種應(yīng)變率下的強(qiáng)度分別為90、151、221 MPa，工程失效應(yīng)變?yōu)?.022、0.043、0.038，強(qiáng)度上表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)，工程失效應(yīng)變類似于方向1，呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。方向3 與纖維增強(qiáng)方向成90°, 內(nèi)部的玻璃纖維束設(shè)計(jì)的增強(qiáng)方向主要在1 方向，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要在方向3 也增加少量的玻璃纖維對(duì)方向1 的玻璃纖維束進(jìn)行固定，因此方向3 的在三個(gè)方向上的強(qiáng)度比方向2 都大，且強(qiáng)度具備應(yīng)變率效應(yīng)。方向3 拉伸時(shí)候主要是基體和少量玻璃纖維承受載荷。整個(gè)拉伸過(guò)程，不能聽到明顯的纖維斷裂聲音，僅在最后斷裂時(shí)刻聽到一次劇烈響聲。整個(gè)拉伸過(guò)程沒(méi)有找到明顯的剛度變化點(diǎn)N。

圖 14 方向2 不同應(yīng)變率下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 14 Tensile stress-strain curves of the direction 2 under different strain rates

圖 15 方向3 不同應(yīng)變率下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 15 Tensile stress-strain curves of the direction 3 under different strain rates

三個(gè)方向在不同應(yīng)變率下的強(qiáng)度及工程失效應(yīng)變對(duì)比，以及1 方向剛度變化點(diǎn)N 前后不同階段的剛度大小，如表2 所示。

表 2 不同應(yīng)變率、不同方向的強(qiáng)度、工程失效應(yīng)變及方向1 剛度Table 2 Tensile strength and engineering failure strain of different strain rates in different directions and the stiffness in 1 direction

在不同方向上的強(qiáng)度方面，結(jié)合此前張碩等[16]對(duì)單向纖維增強(qiáng)的玻璃鋼進(jìn)行的不同方向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)：沿纖維方向的強(qiáng)度值達(dá)到了垂直纖維方向強(qiáng)度值的10 倍左右。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步在動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)下得到了相似的結(jié)論，沿纖維方向的強(qiáng)度值比其他方向不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，方向1 的拉伸強(qiáng)度比方向3 的拉伸強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，比方向2 的拉伸強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢娫诓Ａт摰膶?shí)際應(yīng)用中，拉伸載荷主要是由玻璃纖維來(lái)承擔(dān)的，而基體樹脂更多的起到了一個(gè)固定的作用。

玻璃鋼材料由于內(nèi)部的纖維鋪層排列，在宏觀上表現(xiàn)出了力學(xué)的各向異性。方向1 和方向3，強(qiáng)度上都表現(xiàn)出了應(yīng)變率效應(yīng)。因?yàn)榉较? 是纖維的增強(qiáng)方向，而為了固定1 方向上的纖維束，需要在方向3 也添加少量的玻璃纖維，因此在方向3 也表現(xiàn)出了應(yīng)變率效應(yīng)。在方向2 上，載荷主要由樹脂基體來(lái)承受，強(qiáng)度上不具備應(yīng)變率效應(yīng)。在纖維增強(qiáng)的1 方向上，材料的彈性模量Einitial在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上具有一個(gè)剛度變化點(diǎn)N。材料的剛度在點(diǎn)N 之后產(chǎn)生了下降，改變后的Echanged在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）、10 s-1、100 s-1三種應(yīng)變率下的值只有初始彈性模量Einitial的67.5%、39.0%、21.4%。不同應(yīng)變率拉伸情況下，尤其是兩種動(dòng)態(tài)工況下，材料的剛度的變化更加明顯。且剛度的變化率隨應(yīng)變率的增加而增加。

2.4 動(dòng)態(tài)失效參數(shù)分析

利用高速攝影與DIC 相結(jié)合的方法，獲得了100 s-1應(yīng)變率下，不同鋪層方向破壞時(shí)刻的動(dòng)態(tài)失效參數(shù)。x 和y 方向分別表示拉伸方向和面內(nèi)與拉伸方向垂直向，最終方向1 斷裂瞬間的試件形貌、應(yīng)變場(chǎng)分布、x 和y 方向的應(yīng)變隨動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程變化如圖16 所示，其中圖(a)中選框部分的應(yīng)力云圖見圖(b)，圖(b)橢圓區(qū)域處的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖(c)。

將相應(yīng)數(shù)值代入上式，得：εeff=0.267。

圖 16 方向1 在100 s-1 應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)失效區(qū)域Fig. 16 Dynamic failure region in the direction 1 at 100 s-1 strain rate

圖 17 方向2 在100 s-1 應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)失效區(qū)域Fig. 17 Dynamic failure region in the direction 2 at 100 s-1 strain rate

圖 18 方向3 在100 s-1 應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)失效區(qū)域Fig. 18 Dynamic failure region in the direction 3 at 100 s-1 strain rate

方向2 和3 的斷裂瞬間的試件形貌、應(yīng)變場(chǎng)分布、x 和y 方向的應(yīng)變隨動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程變化如圖17～18 所示，其中圖(a)中選框部分的應(yīng)力云圖見圖(b)，圖(b)橢圓區(qū)域處的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖(c)。

同理可得，在100 s-1應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸下，方向2 和3 的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變?yōu)?.078 和0.099。結(jié)果表明，方向2、3 的動(dòng)態(tài)失效參數(shù)較為接近，與方向1 相差較大。

綜上，表3 給出了最終得到此種單向鋪層玻璃鋼材料在應(yīng)變率為100 s-1情況下動(dòng)態(tài)拉伸參數(shù)。

表 3 不同方向的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變及其它相關(guān)參數(shù)(應(yīng)變率：100 s-1)Table 3 Dynamic failure strain and other relevant parameters in different directions (strain rete: 100 s-1)

由于材料在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，標(biāo)距段應(yīng)變場(chǎng)分布不均勻，材料斷口處的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變與常規(guī)的工程失效應(yīng)變存在很大差別，工程失效應(yīng)變?cè)诜较?、2、3 上僅有動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變的15.0%、16.7%、38.4%。而確定材料的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變能更為精確的了解材料的動(dòng)態(tài)性能，在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中可以更好地模擬結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)加載情況下的破壞行為。

3 結(jié) 論

本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)單向增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究，提出了靜/動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)合DIC 的方法：設(shè)計(jì)一系列針對(duì)單向增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料的靜/動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，利用一整套靜動(dòng)態(tài)拉伸裝置以及高速攝影與DIC 相結(jié)合技術(shù)，獲得了材料不同方向、不同應(yīng)變率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及材料在不同方向上的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變，精確的描述了材料的動(dòng)態(tài)失效行為。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以得到以下結(jié)論。

（1） 方向1 在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）、10 s-1、100 s-1三種應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在一個(gè)剛度變化點(diǎn)N。在N 之前，主要是玻璃纖維在維系著復(fù)合材料的彈性變形；當(dāng)達(dá)到N 點(diǎn)的應(yīng)力之后，玻璃纖維部分?jǐn)嗔眩Ｓ嗬w維以及樹脂基體共同承擔(dān)載荷，樹脂基的貢獻(xiàn)使該復(fù)合材料增加了塑性應(yīng)變的成分，纖維的斷裂以及塑性應(yīng)變成分的增加導(dǎo)致材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生斜率上的變化。隨著纖維斷裂增多，剩余纖維以及樹脂基體不能再承受斷裂纖維傳遞的載荷，試件破壞。這一過(guò)程宏觀上表現(xiàn)為材料的剛度發(fā)生變化。三種應(yīng)變率情況下初始彈性模量Einitial為：27.7、35.1、35.1 GPa，N 點(diǎn)之后的模量Echanged為：18.7、13.7、7.5 GPa。三者的初始彈性模量較為接近，均為30 GPa 左右，剛度變化點(diǎn)之后的Echanged在三種應(yīng)變率下的值只有初始彈性模量Einitial的67.5%、39.0%、21.4%。不同應(yīng)變率拉伸情況下，尤其是兩種動(dòng)態(tài)工況下，材料的剛度的變化更加明顯。且剛度的變化率隨應(yīng)變率的增加而增加。由于只有方向1 是纖維增強(qiáng)方向，方向2、3 沒(méi)有一個(gè)纖維陸續(xù)斷裂的過(guò)程，故沒(méi)有找到明顯的剛度變化點(diǎn)N。

（2）此材料在不同應(yīng)變率（10-3、10、102s-1）拉伸情況下，纖維增強(qiáng)的方向1 上強(qiáng)度最高（分別為608、967、1 123 MPa），方向2 強(qiáng)度最低（分別為75、67、58 MPa），方向3 強(qiáng)度較低（分別為90、151、221 MPa）。材料具備明顯的各向異性，沿纖維方向的強(qiáng)度值比其他方向高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在玻璃鋼的實(shí)際應(yīng)用中，拉伸載荷主要是由玻璃纖維來(lái)承擔(dān)的，而基體樹脂更多的起到了一個(gè)固定的作用。同時(shí)材料在方向1 和3 上也表現(xiàn)出了應(yīng)變率效應(yīng)，材料在102s-1拉伸應(yīng)變率下強(qiáng)度值都能達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)拉伸（10-3s-1）下的2 倍左右。方向1 和3 的工程失效應(yīng)變還表現(xiàn)出來(lái)隨著應(yīng)變率增加先增大后減小的特點(diǎn)。

（3）利用高速攝影和DIC 技術(shù)，對(duì)單向增強(qiáng)玻璃鋼材料的三個(gè)不同方向進(jìn)行了靜/動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，得到了三個(gè)方向在100 s-1應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變分別為0.267、0.078、0.099、100 s-1應(yīng)變率下材料斷口處的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變與常規(guī)的工程失效應(yīng)變存在很大差別，工程失效應(yīng)變?cè)诜较?、2、3 上僅有動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變的15.0%、16.7%、38.4%。這種方法獲得的材料動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變更加準(zhǔn)確，可以更好的描述此單向增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)失效行為。