（纺织材料与纺织品设计专业论文）三维编织复合材料的动态拉伸性能.pdf

三维编织复合材料的动态拉伸性能 摘要 文章介绍了三维编织复合材料的动态拉伸试验的试样、设备 与结果，并引入分形与小波的思想来分析和处理实验所得的结 果，并得出些结论。 对已有的试样制作工艺进行改进，通过增加加强树脂的方法 来保证实验的顺利进行并减小了误差。 介绍了h o p k i n s o n 杆的构造、原理及硬件设施，用图形和公 式诠释了h o p k i n s o n 杆拉伸卸载波的形成和传播，清晰地描述 了整个动态拉伸实验的机理与操作，并得到了不同应变率 ( 8 0 0 s ，1 2 0 0s ，2 1 0 0s - i ) 下的拉伸结果。 通过对不同应变率下的拉伸结果的分析，得到了相应的应力 一时间、应变一时间、应力一应变、应变率时间等一系列的 拉伸曲线。通过与准静态拉伸曲线比较得知：材料在准静态和 动态加载条件下拉伸机理有所不同，材料的最大应力、失效应 变、拉伸刚度等指标在高应变率下都有较大的变化。随着应变 率的提高，材料破坏的最大应力逐渐增大，拉伸刚度逐渐增大， 而失效应变则逐渐减小。整个过程显示材料在高应变率下破坏 机理由韧性向脆性转变。 采用计盒维数法测得材料拉伸断裂曲线的分维值；将分维与 最大应力、应变率、拉伸刚度等参量相联系。得出结论：材料 在低应变率下的分维值较大，而在高应变率时较小，表明材料 在低应变率时断裂曲线的复杂程度较高，这是由于材料在高低 应变率下断裂机理不同造成的，再次验证了材料在高应变率下 破坏机理由韧性向脆性转变的结论。 利用快速傅立叶变换( f f t ) 和小波分析研究应力信号在频 域的特征，经过小波分解与重构，得到了不同频段的信号所占 的能量比例，并得出拉伸实验应力信号的大部分能量都处于低 频阶段的结论。 关键词：高应变率，分离式h o p k n s o n 杆，三维编织复合材料， 分维，f f t ，小波变换 t h e d y n a m i cs t r e t c hp e r f o r m a n c e o ft h r e ed i m e n s i o nb r a i d e dc o m p o s i t e a b s t r a c t t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h e d y n a m i c s t r e t c ht e s to ft h r e e d i m e n s i o nb r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a l si n c l u d i n gt h es p e c i m e n m a n u f a c t u r ec r a f t ，t h ee q u i p m e n ta n dt h ec o n c l u s i o n s i no r d e rt og u a r a n t e et h ee x p e r i m e n ts m o o t h l yc a r r i e so na n d r e d u c e st h ee r r o r , w ei m p r o v e dt h et e s ts p e c i m e nm a n u f a c t u r ec r a f t w et a k et w oa d d e ds t r e n g t h e n e dr e s i no nt h eo r i g i n a lt e s ts p e c i m e n t h i sh a so b t a i n e dt h ev e r yg o o dr e s u l t w eh a v eu s e dt h eg r a p ha n dt h ef o r m u l at oe x p l a i nt h es t r u c t u r e ， p r i n c i p l ea n dh a r d w i r eo fs h t b ，p r e s e n t e d t h ef o r ma n dt r a n s m i t t a l o fs t r e t c h - u n l o a d sw a v e w eh a v eg a i n e dt h es t r e s s - t i m ec u l 弋，e ， s t r a i n - t i m e ，s t r a i n r a t e - t i m ea n do t h e rc u r v e sa tv a r i o u ss t r a i nr a t e s r f r o mo 0 0 1 t o 2 1 0 0 s ) ，c o m p a r e d w i t ht h e q u a s i s t a t i c s s t r e s s s t r a i nc u y v e ，t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r e s ss t r a i n c h iv e sa r er a t es e n s i t i v e ，a n dt e n s i l em o d u l u s ，m a x i m u mt e n s i l e s t r e s sa n dc o r r e s p o n d i n gt e n s i l es t r a i na r ea l s os e n s i t i v et ot h es t r a i n r a t e t h et e n s i l em o d u l u s ，m a x i m u mt e n s i l es t r e s so ft h e3 - d b r a i d e df a b r i cc o m p o s i t e si sl i n e a r l yi n c r e a s e dw i t ht h es t r a i nr a t e w i t hi n c r e a s i n go f t h es t r a i nr a t e ( f r o m0 0 0 1t o2 1 0 0 s ) ，t h et e n s i l e f a i l u r eo ft h e3 - db r a i d e dc o m p o s i t es p e c i m e n sh a sat e n d e n c yo f t r a n s i t i o nf r o md u c t i l ef a i l u r et ob r i t t l ef a i l u r e t h eb o x - c o u n t i n gm e t h o di sac o n v e n i e n tm e t h o dt og a i nt h e f r a c t a ld i m e n s i o n so ft e n s i o nf a i l u r ec u r v e sa tv a r i o u ss t r a i nr a t e s w ef i n dt h a tt h ef r a c t a ld i m e n s i o no fl o ws t r a i nr a t ei sm u c hb i g g e r t h a nt h a to fh i 【g hs t r a i nr a t e t h i ss h o w st h es t r e t c hb r e a k m e c h a n i s mo fl o ws t r a i nr a t ei sd i f f e r e n tw i t ht h a to f h i g hs t r a i nr a t e t h el o ws t r a i nr a t e sb r e a kc u r v ei sm u c hm o r ec o m p l e xa n d o c c u p i e sm o r es p a c e w ea n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s ss i g n a ld u r i n gf r e q u e n c y a r e at h r o u g ht h em e t h o do ff f ta n dw a v e l e tt r a n s f o r m t h er e s u k i n d i c a t e st h a tt h ee n e r g yo fd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n di sd i f f e r e n t ，t h e l o w f r e q u e n c yb a n do c c u p i e sm u c hm o r ee n e r g yt h a nh i g h f r e q u e n c yd o e s c h e r tm e i l i n ( t e x t i l em a t e r i a la n df a b r i cd e i g n ) s u p e r v i s e db y ：p r o f g ub o h o n g k e yw o r d s ：h i g hs t r a i nr a t e ，s h t b ，3 - db r a i d e dc o m p o s i t e ， f r a c t a td i m e n s i o n ，f f t ，w a v e l e tt r a n s f o r m 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人 在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。 论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 蓄著篙筹茎：篇穆争 日期：o l 砂年p 月少日。 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人 授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口。在年解密后适用本版权书一 本学位论文属于 不保密瓯 学位论文作者签名 豫羡对 吼游f & 砂 懒撇吻酾肛 日期：卫t 噼归月l | 1 日 东华大学硕士论文第一章综述 第一章综述 三维编织结构复合材料是一种典型的结构型与功能型均优的纺织复 合材料，具有强度高、质量轻，整体受力均匀，抗分层及抗冲击性能卓越 等良好的力学性能，在航空航天、交通、医疗、体育设备与器材等现代 高科技工业领域中具有极大的潜在实用性，比传统材料具有更多的优越的 功能。随着三维编织结构复合材料应用领域的扩大，其在实用中经常要经 受动态拉伸、高速应变的考验，目前国内的研究主要集中在讨论三维编织 复合材料拉伸刚度与细观结构关系上。，如对金属材料、平行纤维束、 单向复合材料以及织物增强复合材料的冲击拉伸性能方面的研究，由于三 维编织复合材料试件的制作工艺复杂，实验技术非常困难，故对三维编织 复合材料动态拉伸的研究尚少，因此对三维编织复合材料动态冲击拉伸力 学性能研究是一个较新的课题。 由于以往涉及的工程材料大多为金属或合金类，这类材料属韧性材 料，其拉压特性基本对称4 ，因此对其实验大多只需进行冲击压缩实验。 而实际工程中使用的复合材料却存在着明显不同的拉压性能，因此，越来 越多的人开始重视材料的冲击拉伸性能，故对复合材料拉伸性能研究也更 具有实用意义。 h o p k i n s o n 5 杆是一种杆杆型撞击拉伸实验仪，以应力波理论为基础， 采用反弹式间接拉伸对试样进行动态拉伸，可以获得不同应变率下的动态 加载实验结果，是研究材料冲击试验的有效工具。 一、h o p kin s o n 杆的发展简介 1 8 7 2 年，j o h nh o p k i n s o n 的铁线实验使得h o p k i n s o n 杆在应力波实 验中取得了重大的发展，随后，1 9 1 4 年，他的儿子b e r t r a mh o p k i n s o n 6 提 出了比较完整的h o p k i o n s o n 杆系统雏形并将之应用于爆炸压力的测量。 1 9 4 8 年，r md a v i e s 7 首次采用并联电容组示波器记录下h o p k i n s o n 压杆中应力波的传播，并对h o p k i n s o n 压杆进行了评析，指出其不足和局 限之处。 1 9 4 9 年，k o l s k y 8 将压杆分成两截，试件置于其中，从而使这一装置可 东f # 人学顾l 论文第一章综述 用于测量材料在冲击荷载下的应力应变关系。由于采用了分离式结构，因 而被称为分离式h o p k i n s o n 压杆，简称s h p b ( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r e b a r ) 。s h p b 的诞生标志着h o p k i n s o n 实验技术的大步提升，扩大了其应用 范围，许多科学家、工程师都争相采用k o l s k y 的压杆技术来获得工程材料 的高应变率性能数据。 b e r t r a mh o p k i n s o n 、贼d a v i e s 和k o l s k y 被称为h o p k i n s o n 杆发展 史上j 大杰出奠基人。 1 9 6 1 年，h a r d i n 9 9 等研制的落锤式拉伸设备应用在动态拉伸试验中， h a r d i n g 是早期将h o p k i n s o n 杆用于冲击拉伸实验的先锋之一，也是复合 材料冲击实验史上的重量级人物，他不仅对冲击拉伸实验有很多见解，还 对复合材料压缩、剪切、三点弯力学试验的应变率效应和破坏模式做过大 量研究。 在国内，上世纪8 0 年代初中科院力学所率先设计试制了h o p l ( i n s o n 压杆装置，至今采用这种装置的单位约有十多个，如中国科技大学、国防 科技大学、中国工程物理研究院、中科院力学研究所等等。中国科技大学 的夏源明教授等人改进并研制了旋转盘式拉伸设备1 0 ，并取得了许多材料 的冲击实验结果。 目前利用s h p b 设备可以方便地记录加载脉冲的应力一应变、应力一 时间、应变一时间、应变率一时间等一系列的动态曲线，可以用来研究应 变率敏感材料的动态特性与应变率历史等。 二、复合材料动态拉伸实验的历史和现状 上世纪8 0 年代初期，k a w a t a ”将h o p k i n s o n 杆冲击实验技术引入到 复合材料的动态拉伸测试中，成功研制了冲击拉伸测试装置，并利用此装 置分别对玻纤单向复合材料以及碳纤单向复合材料进行了冲击拉伸实验。 几乎与k a w a t a 同时，h a r d i n g ”则采用自己组装的s h p b 冲击拉伸装 置对碳纤单向复合材料试样进行了冲击拉伸实验。 夏源明教授”等在自行研制的摆锤式块杆型冲击拉伸实验装置上成 功地实施了单向玻纤增强复合材料的冲击拉伸实验，获得了应变率为 1 0 0 0 s 1 的应力应变曲线，后来又在更大的应变率范围内对玻纤环氧单向 东华大学硕士论文第一章综述 复合材料的动态力学性能进行了更全面的研究，发现应变率大于1 3 0 0 s 。 时，玻纤环氧复合材料的高速韧性向脆性转化。 为了更深入地研究单向复合材料的动态力学性能，王兴等成功地进行 了玻纤环氧复合材料的冲击拉伸卸载实验“和不同环境温度下的冲击拉 伸实验”，还用红外瞬态测温仪”获得了玻纤环氧复合材料( g f r p ) 在高 速变形中的瞬态温度变化数据。 在分析复合材料冲击拉伸实验结果的基础上，特别是卸载实验结果和 瞬态温升试验结果的基础上，夏源明教授等提出了完整的复合丝束模型 1 7 1 5 描述单向复合材料应变率相关的力学性能，推出了复合材料在冲击 拉伸时的一维本构方程。 对纤维复合材料来说，纤维是受力的主要承担者，纤维的力学性能强 烈地影响着复合材料的力学性能。为了从细观上分析纤维增强复合材料的 拉伸力学性能，董立明等”首次成功地进行了纤维束在应变率为5 0 - 2 0 0 s 1 范围内的冲击拉伸实验，获得了纤维束应力应变曲线，得出了玻璃纤维是 与应变率相关的，k a v l a r 纤维则对应交率不太敏感，碳纤维对应变率无 关，以及纤维在变形破坏过程中所有的应变能都转化为热能的结论。 在进一步改进技术的基础上，袁建明2 0 等对玻璃纤维束进行了较大应 变率范围的冲击拉伸实验，得到纤维和纤维束动态力学量之间的关系，提 出由纤维束的冲击拉伸实验来确定纤维动态模量和动态强度参数的方法， 这对于间接获得单丝的动态力学性能参数是很有价值的。 王镇2 1 等对玻璃纤维束实施不同应变率和不同温度下的冲击拉伸实 验，在实验研究的基础上建立了纤维和纤维束力学性能的应变率相关、温 度相关的统计本构方程，为研究单向复合材料韧脆转换机理提供了理论依 据。 jh a r d i n g 和cr u i z ”利用h o p k i n s o n 装置，采用小试样实验，获得 了冲击拉伸的力学性能数据，并且将复合材料板与梁的小尺寸结构试验获 得的数据作为上述数据的补充，利用这些数据对实验中观察到的破坏建立 三维网格模型数据给与对照以便分析复合材料在冲击拉伸时的应力分布。 c t s u n 2 3 2 4 等通过冲击拉伸实验建立模型预测热塑性层合板复合 东华大学硕士论文第章综述 材料的应变率相关力学响应，高应变率实验在s h p b 装置上进行，低应 变率在伺服液压测试仪上进行。分别对两种模型中相同应力、不同应变率 多次测试以确定模型参数，模型预测结果与实验所得结果吻合完好。后来 c t s u n 又利用s h p b 装置和有限元理论及三维粘弹性模型描述玻纤， 聚合物基对称层合板的高应变率力学响应，在应变率达到1 0 0 0 s 一时，将 模型分析所得结果与实验结果比较得出：用于低应变率的粘弹性模型同样 适用于高应变率响应分析，这为研究层合板复合材料的动态力学性能提供 了实验依据。 姚学锋、杜慧英2 5 等人利用实验模态分析方法对碳纤维环氧树脂编织 结构增强复合材料的动态力学特性进行了初步的实验研究，确定了编织复 合材料梁、管的振动模态参数与传递函数，并与钢质梁、管的动态性能相 比较。结果表明：在冲击脉冲载荷作用下，先进编织结构复合材料与传统 金属材料相比，编织复合材料具有固有频率较高、阻尼比大，以及比刚度 大、稳定性好、对冲击脉冲载荷作用的减震效果良好等一系列优点，这为 进行编织复合材料冲击拉伸实验提供了一定的准备工作。 三、本课题的研究内容和意义 本课题主要以下几个方面内容； a 研究三维编织复合材料的动态拉伸高应变率加载技术。三维编织 复合材料是一个不可分割的整体，不能像传统拉伸一样做成哑铃 型试样。如何采用合适的连接技术连接h o p k i n s o n 杆和试样并减 少测试过程中杂波是首先要解决的问题。 b 测试三维编织复合材料在高应变率下的拉伸性质：得到应变率为 8 0 0 - - 2 1 0 0 s “范围内的拉伸应力应变曲线，并与准静态拉伸压力 应变曲线相比较。 c 用分形几何束分析三维编织复合材料准静态、动态加载断裂后的 形态，测出材料在不同应变率下断裂曲线的分维数，并分析分维 数与应变率的关系。 d ，分析三维编织复合材料冲击加载下的频率响应。分析分离式 h o p k i n s o n 拉杆的输入杆和输出杆上动态信号、复合材料试件应 东华人学颂 论文第一章综述 力时间动态信号的频谱特征，用快速f o u r i e r 变换( f 兀) 揭示冲击 加载信号特征，进一步用小波分析得到复合材料应力时间信号的 小波特征，结合实验观测的变形和失效分析与小波特征的对应关 系。 由于影响三维编织复合材料动态拉伸力学性能有很多因素，利用现有 文献资料大都难以全面地分析，而三维编织复合材料在实际生活中应用又 越来越广，因此本课题研究是有必要的也是有一定现实意义的。 东华大学硕1 论文 第一章综述 参考文献： 1 卢子兴冯志海编织复合材料拉伸力学性能的研究复合材料学报 1 9 9 9 。1 6 ( 3 ) 2s u n h y , q i a ox p r e d i c t i o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h r e e d i m e n s i o n a l b r a i d e dc o m p o s i t e sc o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e d w o l o g y 1 9 9 7 ，5 7 ( 6 ) ：6 2 3 6 2 9 3 黎观生李建友徐新三维编织复合材料拉伸性能试验研究材料工程， 1 9 9 7 0 0 0 ( 0 0 6 ) 一2 0 一2 1 4 1 4 李东夏源明金属材料拉伸冲击性能的实验研究上海工业大学学报 1 9 9 1 ，1 2 ( 5 ) 5 马晓青，冲击动力学，北京理工大学出版社，1 9 9 2 ，1 9 6 1 9 9 6 h o p k i n s o nb ( 1 9 1 4 ) ，am e t h o do f m e a s u r i n g t h ep r e s s u r ep r o d u c e di nt h e d e t o n a t i o no f h i g he x p l o s i v e so rb yt h ei m p a c to f b u l l e t s ，p h i l o s t r a n s r s o c l o n d o n ，$ e r a2 1 3 ，4 3 7 - 4 5 6 7 d a v i e sr m ( 1 9 4 8 ) ，ac r i t i c a ls t u d yo f t h eh o p k i n s o np r e s s u r eb a r , p h i l o s t r a r t s r s o c ，l o n d o n ，s e r ，a2 4 0 ( 8 2 1 ) ，3 7 5 - - 4 5 7 8 k o l s k yh a ni n v e s t i g a t i o no f t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l sa tv e r y h i g hr a t e so f l o a d i n g ，p r o c ，p h y s s o c l o n d o n , 1 9 4 9 ，s e c t b6 2 0 i b ) ， 6 7 6 - 7 0 0 9 j h a r d i n g ，t e s t i n gt e c h n i q u e sa th i 曲r o t eo fs t r a i n ，jm e c h e n g s c i ， 2 0 ，1 9 6 0 ，p p 8 8 9 6 1 0 姚亚平，硕士论文，高速旋转盘冲击拉伸试验机的研制及复合材料冲击 拉伸性能的研究，中国科学技术入学，1 9 8 9 1 1 k a w a t ak ，h a s h i m o t os ，t a k e d an ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r si nh i g hv e l o c i t y t e n s i o no fc o m p o s i t e s i n ：h a y a s h it k a 斟a t ak ，u m e k a w as ，e d i t o r s p r o c e e d i n g so ff o u r t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o nc o m p o s i t em a t e r i a l s ( i c c m 一4 ) ，t o k y o ，1 9 8 2 ，8 2 9 - 8 3 6 1 2 h a r d i n gj w e l s hlh ，i m p a c tt e s t i n go ff i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e m a t e r i a l s i n ：h a y a s h it k a w a t ak ，u m e k a w as ，e d i t o r s p r o c e e d i n g so f 6 东华大学帧论文第章综述 f o u r t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m p o s i t em a t e r i a l s ( i c c m 一4 ) ，t o k y o ， 1 9 8 2 ，8 4 5 8 5 2 ”夏源明，杨报昌，贾德新等，摆锤式杆杆型冲击拉伸装置和低温动态 测试技术实验力学1 9 8 9 ，4 ( 1 ) 1 4 王兴，玻纤环氧复合材料的冲击拉伸卸载实验，中国科技大学硕士论 文，1 9 9 2 ”李晨，玻纤环氧复合材料在不同环境温度下的冲击拉伸实验，中国科 技大学硕士论文，1 9 9 0 m 夏源民，饶世国，杨报昌，红外瞬态测温装置及其在冲击拉伸试验中 的应用，实验力学，1 9 9 0 ，5 ( 2 ) ”w a n gz ，x i ay 虬e x p e r i m e n t a le v a l u a t i o no ft h es t r e n t h d i s t r i b u t i o no ff i b e r su n d e rh i g hs t r a i nr a t e sb yb i m o d a lw e i b u l l d i s t r i b u t i o n ，c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y1 9 9 7 ，5 7 ：1 5 9 9 - 1 6 0 7 ”夏源明，杨报昌，复合材料及其结构的力学进展，武汉工业大学出版 社，1 9 9 2 1 9 董立民，纤维束的冲击拉伸实验研究，复合材料学报，1 9 9 0 ，7 ( 4 ) 2 0 w a n gz 。jm y o a nymx i a ，ad y n a m i cm o n t ec a r l os i m u l a t i o nf o r u n i d i r e c t i o n a lc o m p o s i t e su n d e rt e n s i l ei m p a c t ，c o m p o s i t e ss c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，5 8 ：4 8 7 4 9 5 2 t 锁，玻璃纤维束在不同应变率和不同温度下的冲击拉伸实验，中国 科技大学博士论文，1 9 9 6 “jh a r d i n g ，c r u i z t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fc o m p o s i t e sm a t e r i a l s u n d e ri m p a c tl o a d i n g ，k e ye n g m e e r i n gm a t e r i a l s ，1 9 9 8 ，1 4 1 1 4 3 ，4 0 3 4 2 6 2 3 caw e e k ，ct s u n ，m o d e l i n gn o n - l i n e a rr a t e d e p e n d e n tb e h a v i o ri n f i b e r - r a m l b r c e dc o m p o s i t e s ，c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，6 0 3 “jt s a i l ，cts u n ，c o n s t i t u t i v em o d e lf o rh i g hs t r a i nr a t er e s p o n so f p o l y m e r i cc o m p o s i t e s ，c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ( 6 2 ) 1 2 8 9 2 5 姚学锋，杜慧英，编织结构复合材料动态特性的实验模态分析，复合 材料学报，1 9 9 8 ，1 0 ，( 4 ) 东华大学坝士论文第二章试样准备及设备介绍 第二章试样准备及设备介绍 一、试样 1 原料加工 奉试验选用的材料为6 4 8 r e x 无碱e 玻璃纤维( 上海耀华无碱纤维有 限公司生产) ，密度为2 5 5 9 c m 3 ，玻璃纤维束以8 0 根合为一股，通过四步 法l x 】编织工艺编织的2 x 8 型复合材料预型件，如图2 1 所示，预型 件尺寸：宽度为8 m m ，厚度为i a t o m ，然后通过树脂传递模塑( r t m ) 工艺汀入环氧树脂基体后固化成型，制作玻纤，环氧复合材料试件。 例2 - l 四步法1 x l 编织预型件 2 试样加工 为了得到束腰型试样，复合材料加工时的实际宽度远大于试样的预型件 宽度。，所以要对三维编织复合材料试样进行二次加工。再加工后试样总长 9 0 m m ，中间有效长度为1 0 m m ，有效宽度8 m m ，厚度1 8 r a m ，左右两端各 有4 0 m m 以便于嵌入到拉伸杆的两个平行槽里，并且上面涂上胶水使其固定 在槽内。试样在切割对注意取样，保证在有效部分( 中间) 有完整的编织组 织，并且采用圆弧打磨边上的树脂( 注意不能破坏中间编织结构) ，以保证 试样在其中部，如图2 2 。 图2 - 2 加工后的试样 东华人 删! 士论j 第二章试样准备及设各介绍 二、仪器 拉伸实验分为准静态拉伸和动态拉伸。 1 准静态拉伸 准静态拉伸在i n s t r o n 拉伸试验机上进行，实验采用上文所准备的材 料，试验加载速度为l m m m i n ，应变率约为1x1 0 4 s 。该试验机由计算机 控制，测试精度高，数据自动记录对应的应力应变数据，并绘制成应力一应 变曲线图。 2 动态拉伸 动态拉伸采用了s h t b 杆一杆型动态拉伸试验仪，该仪器由本课题组根 据应力波理论在以往的h o p k i n s o n 撞击杆基础上改建而成，并且自行编程制 作以适应本课题组要求。 下图是本课题所用的h o p k i n s o n 杆的实物图： 图2 - 3h o p k i n s o n 秆实验装置 3 ，h o p k i n s o n 杆的原理 图2 - 4 是h o p k i n s o n 杆的示意图： 东华大学硕士论文 第二章试样准备及设备介绍 图2 - 4h o p k i n s o n 杆示意图 图中所用的输入轩、输出杆和撞击杆盼材质必须相同，并且要保证三者的共 轴碰撞。 首先，h o p k i n s o n 杆的成功实验还必须基于下面的两个假设1 才能成立： ( o ) 平截萄缓设 假设输入杆、输出杆和试样的任意横截面在波的传播过程中始终 保持平面，即在输入杆、输出杆和试样中传播单向应力状态的一 维应力波，此假设实际上忽略了输入杆、输出杆和试样中质点的 横向惯性效应。 ( b ) 试样中应力应变浍辅向均匀应力只是应变的单值函数 假设试样中应力、应交沿轴向均匀，即a 叮：瑟= 如：昆= 0 ， 其中z 为试样的轴线方向。此假设实际上忽略了试样中质点的纵 向惯性效应，也就是忽略了波在试样中的传播效应，使细杆的动 力学方程简化为一维杆的动力学平衡方程，即一维线弹性应力波 方程。 1 ) 压缩脉冲的形成 气室里的气压推动撞击杆在枪膛中飞行，出枪膛的撞击杆由于惯性作 用，继续飞行跟输出杆共轴碰撞。 假设撞击杆是b 2 ，输出杆是b 1 ，初始速度分别为v 2 和v l c o 表示应 力波传输速度，密度为岛，横截面积为a 东华大学硕士论文 第二章试样准备及设备介绍 k幽 印匠二二二二二二 ( a ) b 2b 1 与鹭里凹 t 。 x = c 人 产 x = c o l 。 ( a ) 碰撞前 碰撞后 ( c ) 物理平面和速度平面 图2 - 5 撞击杆的碰撞过程 ( b ) ( c ) 开始撞击杆b 2 带着初始速度v 2 去撞击输出杆b l ，在碰撞界面产生两列 压缩波，分别为向b i 杆传播的右传压缩波和向b 2 杆传递的左传压缩波，由 于两杼的材质和尺寸相同而且是共轴碰撞，所以两列波以相同的斜率c 0 在 b 鲫l g ex - t 图上传递。因为界面连续，所以界面左右两侧质点有相同的速 度v 3 ，又由作用力和反作用力定理知界面处两侧质点有相同的应力以，根 据应力波间断面上动量守恒条件2 得到： 三：臻瀑二嚣 眨， 码= ( 岛c o ) 2 ( 一巧) 由此可以求得： k ：! 鱼鱼蔓坚l 鱼鱼蔓丝 3 ( 扁c o ) l + ( 岛c o ) 2 吒： 上斗 q 。2 ( 岛c o ) t ( 岛c o ) ： 由于杆的材质相同，并且b l 杆初始速度为0 ，所以可得到： 东华大学硕士论文第二章试样准备及设备介绍 即碰撞使得界面处速度为撞击杆初始速度的一半，而由于撞击杆左端的速度 v 2 依然大于v 3 ，因此撞击过程尚未结束，两杆粘在一起，当b 1 杆中左行压 缩波到达左端面时，由于自由端反射，由压缩波反射成为拉伸波，拉伸波右 传，由于两杆的阻抗相同，这个右传拉伸波也可以畅通地传递到输入杆b 。 中，并且拉伸卸载波的应力大小正好跟以相同，因此拉伸效应正好跟刚才 的压缩加载效应相抵消，当拉伸波传递到碰撞界面处，碰撞杆内每一个质点 相对输入杆不再有右传趋势，即b 2 中每个质点的相对速度为o ，这就意味 着碰撞过程结束，至此，一个波长为2 倍撞击杆长度的压缩脉冲就此形成。 图2 - 6 详细的表示了此脉冲的成长过程： v 2 v 3v 3v l = o 一 一 阏、? 眵1 c o d 国 2 ) 拉伸脉冲的形成 图2 - 6 压缩脉冲的形成 q 学 圪 吒 东华大学硕十论文第二章试样准备及设备介绍 压缩脉冲在输出杆中继续向前推行到试样端面，由于承压块的存在，并 且承压块的材质跟输出杆、输入杆完全相同，所以压缩脉冲也是顺利通过承 压块传递到输入杆中( 当然实际操作不是理想状态，肯定有部分能量在试样 的左端面反射回输出杆) 。在输入杆的尽头是一个自由端，根据应力波理论， 压缩脉冲在自由端反射成为拉伸脉冲，该拉伸脉冲作为实验所需的有效入射 波反方向通过输入杆再传回试样，由于承压块只能受压而不能受拉，所以拉 伸脉冲将直接作用到试样上面，并透过试样再传到输出杆上，反应为透射波， 当然，也有一部分的拉伸波在试样的右端面反射回输入杆。 无论是压缩脉冲还是拉伸脉冲，只要通过输入杆或输出杆的应变片，都 会被很好地记录下来。 下面的l a g r m _ l g ex - t 图清晰得表示了整个h o p k i n s o n 杆的应力波运行过 程 图2 一应力波在h o p k i m o n 杆中的运行 e ( ，) _ 入匆t 结 s a t ) 反射波 东华大学硕士论文第二章试样准备及设备介绍 e a t l _ 透戥绽 下面来分析拉伸脉冲对试样的作用： 根据一维弹性波理论，杆件的应变可跟位移联系起来： = c 。f 础 ( 2 5 ) l 位移s 瘦变t - 嬲间 c 旷i 嚎示抒侔中应力波的传输速麦 对于输入杆中的位移“，不仅仅指拉伸入射波引起的位移，还包括了在 试样右端面反射回来的拉伸波引起的位移，因此： h = c 。f t d t + ( 一c 。) r e , d t - - - - c 。f ( 一辞) d t ( 2 6 ) 同理，在输出杆中透射波引起的位移为： 乜= c 。f c t d t ( 2 7 ) 因而，试样中的平均应变乞为： 乞2 t 4 - 2 22 导f c q 叫出 c 2 l i 试样钓视始长度 这里我们假设通过试样的应力处处均匀，即试样的应力是常量，则必然 要求试件长度l ，_ 0 ，所以、满足： = 一t ( 2 9 ) 代入方程，得到； 沪鲁f 忙等胁岛姚 c z ， 试件两端的载荷分别为： e 2 e a ( e + ) ，f 2 = e a e , ( 2 1 1 ) 因此试件中的平均应力吒为： 旷f 2 t + a f ，22 圭e i a ) ( e + + t ) ( 2 1 2 ) 东华大学硕士论文 第二章试样准备及设备介绍 式中，e 是拉杆的弹性模量，气是拉杆与试样的截面比。 根据方程( ) ，上式可以简化为： 吒= ec 会) ( 2 l s ) 同理，试件的平均应变率是； p 鲁 ( 2 1 4 ) 上述得到的应力、应变和应变率是平均值，且它们是根据单向应力状态 的假设计算的。在真正计算时，因采集的是离散点，所以用 盯( t ) 、幺、( t ) 、( t ) 和( t ) 代替相 应的 野气、毫、印和，由此可得到下列一组公式： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 口( r ) = 警驰) ( 2 1 7 ) 其中：a 枵 孛横截面积e 杨式模量 l l 试样颡4 试长度屯试祥的横截厦积 t 、霰裁波应变t 吣透象渡壶变 盯( ，) - 】劫翱缠力叠( f ) 叫兹戮硒i 烫事 g 厂- 渖老杆中应力波的传输速度 根据以上理论，可以测得相应的应变一时间曲线，应变率一时间曲线， 应力一时间曲线，应力一应变曲线等等动态拉伸的性能曲线。 下图是实验得到的一个典型的输入输出曲线( 应变率为1 2 0 0 s 。) ； 毽 驰 一 一 力 ) i “ 九d 永 墨t 坠t | l l l 东华大学硕士论文 第二章试样准各及设备介绍 2 0 15 1o ， 出0 5 删 0 0 o ，5 1 0 15 一输入波伊柏 一输出波 巾姒 ， f a j - ，、一 l ? g，5r 、 有女输入波 j 有淼出波 k “ - 3 0 0- 2 0 1 31 0 001 0 02 0 0 3 0 04 0 0 时间( 1 0 “s ) 图2 - 8 典型的输入输出波 空心点曲线是输出杆采集到的信号，实心点曲线是输入杆采集的信号， 正电压表示是压缩脉冲，负压表示拉伸脉冲，由于通道加载电压( 放大倍数) 不同，所以输出波输入波的幅度诧异较大。经过上文分析可知，我们所需要 的有效信号是图中箭头所指部分。 4 实验装置简述 本课题组的h o p k i n s o n 装置可以归结为动力系统、碰撞系统、吸收系统 和数据采集系统几大部分。 1 ) 动力系统 动力系统包括了气室和启动阀。 气室用液氮供气，通过液氮的减压阀可将气瓶中约1 5 m p a 的高压氮气 降低到2 3 m p a ，再通过紫铜软管连接气室，来控制气室中压力，即间接 控制子弹冲击速度，从而改变输入杆的应变，即改变入射脉冲的宽度。启动 装置采用气动加载活塞式结构。 气室的枪膛较长，便于撞击杆在其中达到一定的速度，在枪膛的末端会 有一个漏气槽，当撞击杆飞过漏气槽，气室加载过程结束，撞击杆依靠惯性 东华大学硕士论文第二章试样准各及设备介绍 继续向前飞行直到与输出杆碰撞为止。 采用高压气体作动力源，大大降低实验成本，清洁安全，而且控制灵活， 可以使子弹获得不同的速度，从而可对材料在不同应变率范围进行动态拉伸 实验。 2 ) 碰撞系统 碰撞系统包括撞击杆、输出杆、输入杆。 撞击杆、输出杆、输入杆均采用冷拉g c r l 5 轴承钢杆，三杆均为直径相 同的圆柱杆。同一材质保证了应力波传递的稳定和容易控制，撞击杆长度为 2 0 0 m m ；输入、输出杆直径均为1 4 5 m m ，输入杆长是6 0 0 m m 、输出杆长为 1 2 0 0 r a m ，即为细长杆，这样保证了平截面假设的成立，因为只有当波长( 子 弹长的两倍，即4 0 0 m m ) 与杆径之比足够大时，实际计算中才能忽略杆中 质点横向运动的惯性作用，即忽略杆的横向收缩或膨胀对应力波动能的影 响，应力纵波的速度才保持恒定，否则杆在轴向应力的作用下除了轴向应力 外，还由于泊松效应必定同时引起横向变形，即在原平截面上有非均匀分布 的横向质点位移、速度和加速度，这就意味着相应地存在着非均匀分布的横 向应力，导致平截面歪曲，一维假设第一条将不成立。同时，应尽量使试样 与杆保持一致粗细，因为假设是一维传播的，当试样的等效直径和杆径相差 较大时，容易引起二维效应，使得记录的反射波波形失真，影响试验结果的 可靠性。 这一部分是实验的主要装置，当撞击杆撞击输出杆，将应力波传递到输 出杆中，从而杆子发生形变，杆子的形变带动了杆子上的应变片一起形变， 应变片的形变导致了其自身电阻的变化，进而反应成电压的变化被数据采集 系统所收集。 3 ) 吸收系统 吸收系统包括吸收杆和阻尼器。撞击在碰撞系统内部耗去了一些能量，