准静态复合材料载荷与位移曲线

结果和讨论 3. 1 准静态横向加载性能 准静态复合材料载荷与位移曲线见图5。从图 中可以看出2条曲线总体趋势一致。在初始阶段, 曲线都呈直线上升趋势,直到载荷值达到最高值后 陡降,这时复合材料试件开始发生破坏,此后试件中 的纱线和基体在载荷作用下不断破坏,承受载荷的 能力不断降低,最终达到完全破坏。由于破坏的不 同时性,导致载荷与位移曲线不断波动。从图中还 可看出,复合材料试件沿方向1 (经纱方向)和方 向2 (纬纱方向) 的弯曲性能有一定的不同,沿方 向1试件承受最大载荷值小于沿方向2 的最大载荷 值;沿方向1试件的位移小于沿方向2试件的位移。 这表明沿方向2试件的抗冲击损伤容限大,沿方向 2是试件的主承受力方向。造成这种不同的主要原 因是沿2个不同方向材料结构存在迥然差别。沿方 向1试件在承受弯曲载荷时孔与孔间的连接处、孔 壁圆弧上、下顶点处产生的应力集中现象是造成它 承受弯曲载荷性能低的主要原因。此外,沿方向1 试件的纤维体积分数小于沿方向2试件纤维体积分 数,这也一定程度影响其承受载荷的能力。 图5 准静态复合材料载荷与位移曲线 Fig. 5 Curves of load2disp lacement at quasi state 3. 2 准静态横向加载破坏模式 图6为准静态横向加载测试时被测试样的破坏 模式图。从图中可以看出: 沿方向1 试件上表面 (受压面)破坏处,增强体纤维断口较为整齐,这说 明试件在承受载荷作用时所发生的应力集中现象比 较严重;沿方向2试件是整个结构响应,在横向加载 的作用下,试件变形较为缓慢,表现为材料的上表面 被压缩而下表面被拉伸,其整体结构受力性强,纤 维、基体、纤维/基体界面之间的应力一直保持着平 衡,直到破坏。实验中,试件均未出现分层现象。 3. 3 横向冲击响应 由于对材料进行动、静态横向加载的方式不同, 材料在横向冲击下的响应与准静态加载下的响应完 全不相同。准静态加载时载荷缓慢匀速地施加于试 件上,试件的整个结构做出响应,纤维、基体、纤维/ 基体界面的应力能够保持平衡。但在冲击载荷的作 用下,应力波的传播速度很快,试件结构的响应基本 失效,使得纤维、基体、纤维/基体界面应力无法保持 平衡,试件产生局部破坏。 图7示出多孔机织复合材料试件冲击载荷与 位移曲线。从图中可以看出,试件沿方向1和沿方 向2受冲击发生的冲击载荷与位移曲线的总体变化 趋势基本一致。不论是沿方向1还是沿方向2的试 件,冲击载荷的峰值随着冲击速度的增大而增大,即 载荷对速度敏感。载荷达到最高点,试件已经不能 承受巨大的载荷开始出现破坏,这时载荷开始下降, 但是下降的趋势不是线性的,而是不断的波动,载荷 偶尔出现微小增幅现象,这是由于试件破坏的不同 ·46· © 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 图6 复合材料试样在横向加载下的破坏模式 Fig. 6 Failure model of composites at transverse loading. ( a) Direction 1: up surface; ( b) Direction 1: down surface; ( c) Direction 2: up surface; ( d) Direction 2: down surface 图7 多孔机织复合材料试件冲击载荷与位移曲线 Fig. 7 Curves of load2disp lacement at transverse impact state. ( a) Direction 1 (warp) ; ( b) Direction 2 (weft) 时性所致,但载荷幅值变化总趋势还是逐渐降低。 图8示出多孔机织复合材料试件横向冲击极限 载荷与速度曲线。从图中可得出:试样的极限载荷 对冲击速度的响应是敏感的,也就是随着子弹冲击 速度增大,试件沿方向1和方向2极限载荷都增大; 沿方向2试件的极限载荷都高于同一速度下沿方向 1试件的极限载荷值,这是由于沿方向1 和方向2 试件结构之间的差异造成他们承受冲击的能力不 同,即由于沿方向1 试件的结构形式造成它局部出 现应力集中现象严重,从而导致破坏严重,承载能力 下降,另外沿方向1试件纤维体积分数也低于沿方 向2试件纤维体积分数。 复合材料吸收能量的多少一定程度上能够体现 材料在破坏过程中的抗损伤容限,这是一项衡量材 料力学性能的重要指标,对多孔机织复合材料而言 图8 多孔机织复合材料试件横向 冲击极限载荷与速度曲线 Fig. 8 Failure load of 32D multi2layerweft interlaced with warp interlock woven fabric composite underwarp and weft direction loading ·47· © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.hbdai.org 环保袋学报第31卷 更为重要。图9为多孔机织复合材料试件的能量吸 收柱状图。从图中可看出,随着冲击速度的增加,试 件吸收的能量也逐渐增加,沿方向2试件的能量吸 收能力明显大于沿方向1试件的能量吸收能力,说 明沿方向2试件抗冲击损伤容限较大。 图9 多孔复合材料试件能量吸收图 Fig. 9 Comparisons of energy absorp tion between warp and weft direction at different loading rates 3. 4 横向冲击下的破坏模式 横向冲击实验和准静态实验的不同在于动态时 试件瞬间会受到巨大的载荷作用,试件整体结构对 载荷作用的响应性差,所受应力不能保持平衡,没有 充分的时间使外力均匀地传遍整个材料,因此试样 不会产生很大的形变。图10示出多孔复合材料试 件横向冲击破坏模式。从图中可看出,不论是沿方 向1还是方向2,随着冲击速度的不断增大,复合材 料试件的破坏面积及程度也逐渐增加。在同一速度 下,沿方向1试件的破坏程度比沿方向2严重。从 图中也可看出沿方向1 试件的破损处,损伤断口比 较整齐,也说明试件承受载荷时产生的应力集中现 象比较严重。这是造成同一材料在不同方向承受载 荷有所差异的主要原因。通过实验观察发现,试件 主要具有基体开裂、纤维拉伸断裂、纤维抽拔等破坏 形式。 图10 多孔复合材料试件沿2个方向在不同速度下的横向冲击破坏模式 Fig. 10 Transverse impact failure mode along two directions under different impact velocity. ( a) Along direction 1; ( b) Along direction 2 4 结 论 1)在准静态加载的作用下,多孔机织复合材料 试件随其变形增大,材料承受载荷能力增强;当试件 所承受的载荷达到最大峰值后,材料开始发生破坏, 所能承受载荷的能力将明显下降。材料承受载荷峰 值下降波动说明了材料局部破坏发生的不同时性。 多孔机织复合材料在准静态横向加载下的力学性能 与其结构有关。由于沿经纱方向试件在承受载荷作 用时,其局部会产生较为严重的应力集中现象,致使 试件承载能力降低。沿纬纱方向则是试件的主要承 受力方向。 2)在动态横向冲击载荷的作用下,多孔机织复 合材料试件的极限载荷、吸收能量的能力都会随冲 击速度的不断增大而增强,并且由于材料破坏的不 ·48· © 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 同时性,导致了载荷位移曲线的不断波动。多孔机 织复合材料纬向试件的极限载荷及吸收能量的能力 均明显高于经向试件,这是因为沿经纱方向试件在 承受载荷作用时,其局部会出现较为严重的应力集 中,致使试件承载能力降低。沿纬纱方向则是试件 的主要承受力方向。 3)在准静态和动态横向加载时,试件在承受加 载之后受压面表现为压缩破坏,而受拉面则表现为 拉伸破坏,在破坏过程中均未出现纤维分层现象。

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