基于实验的平面编织层合板拉伸性能预测 3页

g30994,垮l沈阳航空航天大学学报V01．30No·41Q!!±!旦—』竺些竺坠型竺丝竺塑竺些兰塑二—————竺坠型坠文章编号：2095—1248(2013)04—0037—03基于实验的平面编织层合板拉伸一．厶匕HE预测李淑萍8，贺军6，马少华。，佟刚6(沈阳航空航天大学a．航空航天工程学部(院)b．辽宁通用航空研究院C．机电工程学院，沈阳110136)摘要：本文的目的在于获得含有(±45。)和(0／90。)铺层的平面编织复合材料弹性模量和破坏强度的预测方法。分别取(±45。)和(0／90。)两种铺层方向的试样做拉伸试验，获得这两种铺层方向的弹性模量、破坏强度和最大应变等力学性能数据。利用本文提供的公式获得不同铺层比例的层合板的弹性模量和破坏强度。该结果与试验结果、层合板理论计算结果进行了对比，都比较吻合。与经典层合板理论计算结果相比，该方法需要输入的数据少，方法简单，考虑到实际工艺情况，可以代替经典的层合板理论应用到初步设计中。关键词：铺层方向；编织层合板；拉伸性能；经典层合板理论中图分类号：V257文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．2095—1248．2013．04．008ThepredictionfortensilepropertiesofwovenfabriclaminatebasedontestingLIShu．pin98，HEJun6，MAShao—hua。，TONG—Gan96(a．FacultyofAerospaceEngineering；b．LiaoningGeneralAviationAcademy；C．CollegeofElectromechanicaiEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136)Abstract：Theaimofthepaperistoestabhshasimpleapproachtopredicttheelasticmodulusandtensilestrengthoftheplainwovencompositelayupintheorientationsof±45oand0／90。．Throughtestingthelaminaof4-45oorientationandlaminaof0／90。orientation。themechanicperformancedataconcerningthematerialproperties，suchastheelasticmodulus，thetensilestrengthandmaximumstrainwereobtained．Throughtheformulaproposedinthispaper，theelasticmodulusandtensilestrengthoflaminalayupintheorientationsof±45。and0／90。willbeobtained．Theresultsbasicallyagreewiththosefromtestingandthosecomputedbyclassicallaminationtheory．ComparingwithCLT，theapproach，askingforfewerdata，issimpler，andcallbeapphedtothepreliminarydesign．Keywords：plyorientation；wovenfabriclaminate；tension；classicallaminationtheory纤维增强复合材料在航空领域已经获得了广泛的应用。增强物通常有单向带、平面编织布和三维编织等多种类型。平面编织复合材料是一种在经向和纬向具有相同力学性能的复合材料，虽然它的力学性能比单向带低很多，但是它有制造成本低、工艺简单等优点，因此其在国外轻型飞机的设计制造领域有很多应用。对于平面编织复合材料，目前的文献[1—6]研究大都通过考虑纤维的弯曲，建立有限元细观力学模型，对平面编织层合板进行刚度和强度计算。由于建立细观模型比较复杂，在初步设计阶段不便于应用。在初步设计中很多采用经典的层合板理论进行分析，采用经典的层合板理论研究需要有一定的理论基础，不便于工程人员实际操作。本文针对平面编织复合材料拉伸性能进行了试验研究，给出了预测拉伸弹性模量和破坏强度的工程公式。运用此公收稿日期：2012—12—07作者简介：李淑萍(1968一)，女，河北河问人，副教授，主要研究方向：飞机设计，E—mail：lsp@sau．edn．cn。 38沈阳航空航天大学学报第30卷式，本文对不同铺层比例编织复合材料层合板的拉伸性能进行了计算，并对计算结果与实验结果以及经典层合板理论进行了对比，误差与经典层合板理论计算结果相当，证明该方法可以应用于初步设计阶段的设计。1试验部分增强材料采用威海光威复合材料有限公司3K斜纹碳布，树脂采用美国亨斯迈AralditeLY3505。试验件制备采用真空袋法成型。该工艺示意见图1。对于本次试验件，只研究了(0／90。)和(±45。)两种方向的铺层。试验件铺层见表1。表1层合板试验件铺层表喾铺层横截面积(mm2)图1真空袋成型工艺示意图采用的标准为GB／T3354—1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》。主要试验设备：INSTRON5582万能材料试验机。该试验机的量程为100KN。2试验结果与分析对上述试验件进行拉伸试验。A、D组的试验件的破坏载荷和破坏应变列于表2中。表2A组和D组试验件的试验破坏载荷和破坏应变将这两组试验件的试验值作为基础，得出含有(0／90。)和(±45。)铺层方向的试验件拉伸弹性模量预测公式如下：E=Eo半Vo+E45木v45(1)Eo：(0／90。)铺层方向的试验件的弹性模量；K：(0／90。)铺层方向的比例；巴，：(±45。)铺层方向的试验件的弹性模量；‰：(±45。)铺层方向比例。在这里，弹性模量的计算来自试验值，利用公式(1)对表1中的B、C两组层合板计算的结果如表3所示。我们对B、c两种层合板也进行了试验，结果也列在表3中。从表3中可以看出误差比较小，说明我们得出的预测公式(1)是符合实际的。从复合材料力学中我们经常可以看到复合材料弹性模量的预测公式为复合材料纤维与树脂的弹性模量组合，而公式(1)是两种铺层的组合。从复合材料力学中我们可以知道，工程弹性常数的计算需要0。和90。铺层的弹性模量、剪切模量以及泊松比，而利用公式(1)则不需要这些参数，同样达到了获得弹性常数的目的。表3计算的弹性模量与来自试验的弹性模量的比较从表2中可以看出，(±45。)铺层的层合板的破坏应变要大于(0／90。)铺层的层合板，因此破坏应变取(0／90。)铺层的应变。按照(0／90。)铺层层合板的破坏应变，利用公式(2)计算破坏载荷：Ph=占。水E术S(2)P。：计算破坏载荷；占。：(0／90。)铺层的应变；圊习 第4期李淑萍，等：基于实验的平面编织层合板拉伸性能预测39E：由公式(1)得出的弹性模量；s：试验件的横截面积。表4含(0／帅。)和(+45。)不同比例的层合板的破坏载荷计算值和试验值表5含(o／帅o)和(±45。)不同比例的层合板的破坏载荷计算值和试验值表4为利用公式(2)的计算结果，表5为利用经典层合板理论的计算结果。对比表4和表5可以看出利用本文提出的公式与用经典层合板理论计算的结果差不多，用本文提出的方法输入少，要求低。3结论本文提出计算复合材料的力学基本性能方法，与实验结果比较吻合，同时比经典层合板理论计算的要求低，可用于平面编织复合材料不同铺层比例的层合板的拉伸性能预测。参考文献(References】：[1]张超，许希武，郭树祥．二维二轴lx1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析[J]．复合材料学报，2011，28(6)：215—222．[2]张超，许希武．二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测[J]．复合材料学报，2010，27(5)：129—135．[3]王瑞，王建坤，武玲．平纹织物复合材料的弹性模量预测[J]．复合材料学报，2002，19(1)：90—93．[4]刘强，马小康，宗志坚．斜纹机织碳纤维／环氧树脂复合材料性能及其在电动汽车轻量化设计中的应用[J]．复合材料学报，2011，28(5)：83—88．[5]燕瑛．织物细观结构参数对编织复合材料弹性性能的影响[J]．航空学报，1997(6)：666—669．[6]韩帅，段跃新，李超，等．不同针织结构经编碳纤维复合材料弯曲性能[J]．复合材料学报，2001，28(5)：52—57．[7]许延敏，程小全，陈浩，等．含孔平面编织混杂铺层层合板压缩性能[J]．航空材料学报，2007，27(6)：87—90．[8]程小全，杨琨，汪源龙，等．平面编织混杂铺层层合板单钉连接拉伸性能[J]．力学学报，2010(5)：901—907．(责任编辑：刘划英文审校：宋晓英)