復(fù)合材料的力學(xué)性能測試和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電測技術(shù)研究及其應(yīng)用

1、1復(fù)合材料的力學(xué)性能測試和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的力學(xué)性能測試和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電測技術(shù)研究及其應(yīng)用應(yīng)變電測技術(shù)研究及其應(yīng)用沈觀林1（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100084）摘要：本文首先介紹單層復(fù)合材料的力學(xué)性能—各彈性常數(shù)和各向強(qiáng)度的測試方法，列出典型復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)。其次討論了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)的若干問題：專門的復(fù)合材料自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計、應(yīng)變計橫向效應(yīng)的修正和應(yīng)變計粘貼方向不準(zhǔn)的影響。然后簡介用應(yīng)變電測方法研究碳復(fù)

2、合材料板殼結(jié)構(gòu)缺陷對應(yīng)力分布的影響的應(yīng)用例子：在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料殼體中預(yù)制脫層、纖維斷裂、纖維橫向分離、碳布縫和局部鼓起等缺陷，用電阻應(yīng)變計測量結(jié)構(gòu)受載后應(yīng)力應(yīng)變分布。應(yīng)變電測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變分布測量。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；應(yīng)變電測；層合結(jié)構(gòu)；碳纖維環(huán)氧；脫層缺陷；1引言引言復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料，一般復(fù)合材料的性能優(yōu)于其組分材料的性能，復(fù)合

3、材料改善了組分材料的強(qiáng)度、剛度和熱學(xué)等性能。人類使用復(fù)合材料的歷史已經(jīng)很久了，現(xiàn)在的膠合板、鋼筋混凝土、玻璃鋼等都屬于復(fù)合材料，復(fù)合材料從應(yīng)用的性質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類，功能復(fù)合材料主要具有特殊的功能，例如導(dǎo)電復(fù)合材料，燒蝕材料，摩阻復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料兩種組分組成，混凝土和鋼筋混凝土屬于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，但現(xiàn)在一般不把它們稱為復(fù)合材料，作為復(fù)合材料通常指玻璃鋼，硼復(fù)合材料，碳復(fù)合材料和芳綸復(fù)合材料

4、等，玻璃鋼是由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的稱為碳環(huán)氧復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)鋁合金的稱為碳鋁復(fù)合材料等等。現(xiàn)在在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中常采用碳纖維布增強(qiáng)樹脂的復(fù)合材料，在各種民用和軍用工程中廣泛使用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂或碳纖維增強(qiáng)樹脂的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的組成不均勻性和各向異性，一般需對復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試方法常用應(yīng)變電測技術(shù)即用電阻應(yīng)變計和電阻應(yīng)變儀等。1作者簡介：沈觀林（1935），男，教授，長期從

5、事復(fù)合材料力學(xué)和實驗力學(xué)的科研和教學(xué)工作。3單層板的力學(xué)性能通常用標(biāo)準(zhǔn)試件、電阻應(yīng)變計或引伸計。標(biāo)準(zhǔn)試件有規(guī)定尺寸，拉伸試件有0?、90?、45?，纖維方向不同的三種，在材料試驗機(jī)上加載，測量軸向和橫向應(yīng)變。0?試件試驗可測得和。90?試件試驗可測得211?EX和，45?試件偏軸拉伸試驗可測得和。幾種典型復(fù)合材料的力學(xué)性能122?EY12GS數(shù)據(jù)列于表1中。表1幾種典型復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)序號1234材料名稱玻璃環(huán)氧硼環(huán)氧碳環(huán)氧芳綸環(huán)

6、氧MPa1041E5.4821.121.17.7MPa1042E1.832.110.530.5621?0.250.300.250.34MPa10412G0.910.700.260.21MPa102tX10.514.110.514.1MPa102tY0.300.840.400.30MPa102S0.401.300.700.45MPa102cX10.528.17.032.4MPa102cY1.42.81.21.42復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變電測技

7、術(shù)研究用應(yīng)變電測方法測量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，有一些技術(shù)問題需要解決：（1）采用專門的電阻應(yīng)變計同金屬等均質(zhì)各向同性材料不同，復(fù)合材料不但有各向異性的力學(xué)性能，而且線膨脹系數(shù)也各向異性，例如某玻璃纖維環(huán)氧樹脂單層復(fù)合材料，纖維方向線膨脹系數(shù)℃，垂直于纖維方向的℃，因此在不同方向應(yīng)采103.661????105.2062????用相應(yīng)的溫度自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計，國外已有復(fù)合材料專用的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計，配合的線膨脹系數(shù)分別為358106℃，但

8、是就各向異性的復(fù)合材料，另一線膨脹系數(shù)較大的方向需另一種溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計，如上述例子中應(yīng)配合℃線105.2062????膨脹系數(shù)的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計。當(dāng)然，如環(huán)境溫度是常溫，又溫度變化很緩慢，可以采用溫度補(bǔ)償應(yīng)變計，接成半橋進(jìn)行應(yīng)變測量。（2）應(yīng)變計橫向效應(yīng)的修正由于應(yīng)變計具有橫向效應(yīng)，在平面應(yīng)力場的測量中會帶來一些誤差，必須對測量結(jié)果進(jìn)行修正。在復(fù)合材料常遇到兩個方向應(yīng)變相差很大的情況，這時更需考慮應(yīng)變計橫向效應(yīng)的影響，不考慮橫向效應(yīng)引