三维环保袋多孔复合材料的横向冲击性能

采用纤维或纤维制品为增强体的复合材料主要 用于结构材料[ 1 ] 。通过不同的加工方法如机织、针 织、编织等,可制造出二维、三维环保袋结构复合材料 的预型件,这些预型件具有良好的变形能力。由于 结构的多样性及良好的变形能力,无纺布环保袋结构复合材 料作为吸收能量元件应用到工程中,如编织管状、工 字形复合材料作为吸收能量元件应用于飞机、汽车 的结构中[ 2 – 4 ] ;三维机织夹层结构[ 5 ]复合材料、短纤 维球形壳[ 6 ]和锥形墩结构[ 7 ]复合材料作为结构件 用于建筑、体育设施工程中。 普通的平面织物基本由经纱和纬纱组成,而三维 机织结构的特征是经纱与纬纱相互垂直,经纱沿织物 厚度方向以一定深度与纬纱交联。按照经纱弯曲与 纬纱交联的方式分类,三维机织物常见的结构有正交 分层接结、角联贯穿接结、正交贯穿接结等结构形 式[ 8 ] 。三维机织物不同交织结构的经纬纱在预型件 中的屈曲形态不同,对材料性能影响很大,一般来讲 三维机织复合材料的纤维体积分数越高,其力学性能 越好。具有角联锁结构的三维机织预型件有较好的 柔曲性能,变形能力较强,适合用于加工柔性复合材 料或用于具有复杂曲面形状的刚性复合材料[ 9 ] 。 材料在冲击载荷下的力学响应与静载荷下的力 学响应显著不同,研究材料在各种冲击载荷下的力 学行为已成为研究人员日益关注的问题。准确地获 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.hbdai.org 第2期唐予远等:三维机织多孔复合材料的横向冲击性能 得材料的本构特性,是合理进行工程设计的基础,也 为仿真模拟技术提供了正确的材料模型和可靠的材 料属性。本文采用Hopkinson压杆测试三维多重纬 经角联锁织物复合材料的横向冲击性能,同时用 MTS材料测试机测试材料在准静态下的力学性能, 以便与高应变率下的性能对比。 1 三维多重纬经角联锁织物复合材料 三维多重纬经角联锁复合材料织物预型件的经 纱、纬纱都采用600 tex (无碱,单丝直径为14μm)玻璃 纤维复丝。图1为三维多重纬经角联锁织物的结构 图。图2为三维多重纬经角联锁织物复合材料照片。 图1 三维多重纬经角联锁织物的结构图 Fig. 1 Weave construction of 32D multi2layerweft interlaced with warp interlock woven fabric 图2 三维多重纬经角联锁织物复合材料照片 Fig. 2 Photograph of 32D multi2layerweft interlaced with warp interlock woven fabric composite. ( a) Warp direction cross2section; ( b) Side surface photograph 图2 ( a)为复合材料预型件沿经向的截面图。 采用真空辅助成型法将不饱和树脂和织物预成型件 加工成复合材料。复合材料中纬纱的纤维体积分数 为3018% ,经纱的纤维体积分数为1815% ,基体体 积分数为5117%[ 10 ] 。沿复合材料经纱、纬纱方向分 别截取2种试样,经纱方向称为方向1,纬纱方向称 为方向2,详见图2 ( b) 。2种试样的规格(高×宽× 长)为7. 5 mm ×22 mm ×120 mm。加工复合材料时 圆孔中所插金属棒的直径为6 mm,金属棒插入壁厚 为015 mm的塑料软管中。 2 测试装置及实验原理 为比较多孔机织复合材料在准静态和动态横向 加载状态的性能,首先对其进行准静态下横向加载 测试。准静态实验在MTS810123 测试装置(见 图3)上完成,为了保证准静态和动态实验条件的一 致性,在进行准静态横向测试时试件跨距(同动态 相同)为100 mm,并且2个支点固定为约束状态,对 试件的加载点均定在每个试样的中心点。每组测 3个试件,加载速度定为2 mm /min,可以得到平均载 荷与位移曲线。 图3 MTS810. 23测试装置照片及其示意图 Fig. 3 MTS810. 23 device p icture ( a) and sketch map ( b) 横向冲击实验在改进型Hopkinson 压杆上进 行,试件固定在夹具的2 端,试件及夹具如图4[ 11 ] ·45· © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.hbdai.org 环保袋学报第31卷 所示。试件的加载点也定在每个试样的中心点。实 验时按方向1和方向2分别进行测试,冲击速度分 别设定为15、25、35 m / s,每种冲击速度分别测试 3个以上试件,通过计算得到平均载荷与位移曲线, 进一步得出极限载荷速度曲线和能量吸收图。 图4 分离式Hopkinson压杆( SHPB)简图 Fig. 4 Modified sp lit Hopkinson p ressure bar ( SHPB) apparatus 若设撞击杆和输入杆的模量和密度分别为E 和ρ, A为输入杆截面积, 则应力波在输入杆中的传 播速度为C0 = E /ρ,应力波的位移可表示为 μ( t) = C0 ∫t 0 (εi ( t) – εr ( t) ) dt 输入杆冲击端受到的载荷为 P ( t) = EA (εi ( t) +εr ( t) ) 试件破坏吸收能为 W =W1 = ∫t 0 1 2 P ( t)μ( t) dt = 1 2 EAC0 ∫t 0 (εi ( t) 2 – εr ( t) 2 ) dt 3

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